Technical Data
梅森直樹* Die Material Evaluation Technology by Actual Hot Stamping Equipment Naoki UMEMORI
Synopsis
Application of ultra-high tensile strength steels to automobile parts is increasing with the aim of reducing weight and improving crashworthiness. The hot stamping method has received much attention in recent years because it can achieve higher strength than conventional press forming methods. In the hot stamping method, steel sheets heated to high temperature are press-formed in dies and are quenched rapidly while being formed, which increases their strength. As the disadvantages of hot stamping, low productivity and die damage have been cited. To understanding the differences of performance of the mold materials to improve the disadvantages, die material evaluation technology by actual hot stamping equipment was introduced. In this study, an evaluation result of die wear is indicated. DHA-HS1 which has higher hardness than JIS SKD61, has superior wear resistance to hot stamping than SKD61. Moreover, by applying much higher thermal conductivity DHA-HS1, the rise in temperature of the surface of die can be reduced.
1.
結
近年，自動車の軽量化および衝突安全性の要求が高まっており，自動車部品において超高張力鋼板の使用率が増加している.ホットスタンピングは,鋼板をオーステナイト変態域まで加熱し，金型で成形と同時に抜熱させることで焼入を行い，従来の冷間成形の超高張力鋼板よりも高強度の部品を製造できる工法として注目されている.ホットスタンピングの課題として生産性の低さがありり，その要因の一つとして，金型で鋼板を抜熱するため，ブレス下死点での保持時間が必要であることが挙げられる。鋼板の抜熱を促進させ，下死点での保持時間の短縮を図るため，金型には高熱伝導化が求められる.また，金型の損傷が発生することもホットスタンピングの課題になっている.金型損傷としては，摩耗や凝着があり，金型摩耗は過冷オーステナイトの変形抵抗や鋼板加熱時に生成される酸化物²などが複合的に影響していると考えられる.金型損傷に対する金型性能の差異は金型材料の物性値だけでは実際の金型損傷を評価できず，実操衆における負荷を模擬する必要がある.そこで,ホットスタンピング実機設備を導入し、金型評価技術の開発を実施した.本報告では金型の摩耗評価技術の紹介，摩耗への金型材料の影響について報告する.
金型摩耗評価技術
評価試験設備
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2.
実生産での金型の損傷は，早い場合に数万ショット程度の生産で発生する.そこで導入した金型評価技術においても数万ショットの成形加工を行えるように，作業者2020年5月19日受付*大同特殊鋼㈱技術開発研究所(Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.)の負担が少なく，かつ探業バラツキの影響を小さくするため、ロボットによる自動撤送を採用した.また、加熱された鋼板が連続的に搬出できるように回転式加熱炉（大同プラント工業㈱製）を採用した. 鋼板を成形するプレス機は110 t電動サーボブレス（例アマダオリイ製）を用い，鋼板を搬送するロボットは加熱炉側とプレス機側で各１台ずつ計２台（ファナック㈱製）を用いた.
2　評価用金型および成形品
2.
摩耗評価における評価用金型と成形品の形状をFig. 1に示す.ホットスタンピング鋼板は亜鉛めっき鋼板（鋼種：22MnB5),  1.2 mm厚さの50 × 300 mmの形状を用い，回転式加熱炉で鋼板を加熱し，その後，金型に搬送し，型を閉じて成形し，下死点保持を行い金型内で冷却した.金型には, Fig. 1に示すように上部バンチおよび下部ダイに水冷孔を設置し，水を流しつつ，試験を行った.成形品はセンターピラーなどを模擬したハット曲げ形状を採用した.  Fig. 1に示すように上部パンチを評価部位とし，3章で示す金型材料ごとの摩耗量の評価を行った.
2.
３　評価試験条件
鋼板の加熱条件を決めるにあたり、950 ℃で300 s保持した後の鋼板の表層において，電子プロープマイクロアナライザ（EPMA）による元素濃度分析を行い，その結果をFig. 2に示す. 富士本ら》の報告と同様に, 表層から酸化亜鉛，Fe-Zn固溶体および下地鋼が形成されていることを確認した.また，加熱された鋼板がプレス機まで撤送して成形を開始するまでの温度および金型内での冷却した後の型開き直後の成形品の温度をサーモグラフィで測定した結果をFig. 3に示す. 小嶋4の報告による連続冷却変態曲線と比較すると，本報告の成形を開始するまでの温度はフェライト・パーライトおよびペイナイトが生成する温度域に達していなく，金型内での冷却速度も平均52 ℃ /sになっており，マルテンサイト単相となる冷却速度30 ℃ /s以上41  51を満たしていることを確認した.また，連続冷却変態曲線1よりマルテンサイト変態は400 ℃で始まって200 ℃程度で終了するため、200 ℃程度までの下死点保持が必要である59. Fig.３より200 ℃程度となる下死点保持時間は８s以上が必要となっている.その下死点保持時間が８sの時の成形品の硬さをFig. 4に示す.引張強さが1,500 MPa程度となるビッカース硬さ450 ～ 500 HV程度6を満たしていることを確認できたため，３章における金型材料ごとの摩耗量の評価には下死点保持時間8 sを採用した. その他の摩耗評価における試験条件についてはTable 1に示す.
3.金型摩耗試験
3.
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金型材料
評価部位には, Table 1に示すSKD61 (JIS G 4404), DH31-EX（当社開発鋼）, DHA ™ -HS1（当社開発鋼） ™ - ❧を用いた. そのDHA-HS1の位置づけをFig. 5に示す. DHA-HS1はSKD61対比，硬さと熱伝導率が高い調種である.  Fig. 6に熱伝導率の温度推移を示す. 常温～ 700 ℃において，DHA-HS1はSKD61およびDH31-EXより高い熱伝導率を有しているため，金型表面温度の低下が期待でき,ホットスタンピング工法での生産性の向上の改善が貢献できる.本試験の評価用金型の作製に用いた焼入・焼戻し処理条件および調質後の硬さをTable 2に示す.

3.
２　摩耗量測定
摩耗量の評価として1000ショットごとにおける外観親察および摩耗量の測定を行った.摩耗量の測定には非接触3次元形状測定機（閑キーエンス製）を用い、上部パンチの摺動部表面の形状を測定し，凹となる部分の体積の合計を摩耗体積とした91.
3. 3結果と考察
本実機設備を用いた摩耗評価結果をFig. 7,  Fig. 8に示す.  Fig. 7は各ショット数における上型パンチのR部近傍の外観写真であり，Fig. 8は各ショット数における上型バンチの摩耗量の推移を示している.これらの結果より，ショット数が増えていくほど摩耗量が増加しているが，DHA-HS1はSKD61およびDH31-EX対比，摩耗量が少なくなっている.鋼種による摩耗の差について以下に考察する. 鍛造金型の摩耗予測モデルとして金型の強度を考慮した次式のような式が挙げられる 10), 11)
ここで，W:摩耗深さ，YS:金型強度，P:面圧，V:相対すべり速度, dt:微小時間, k:定数である.金型材料による影響因子は YS:金型強度およびk:定数 ""となり，金型強度はプレス成形中に上昇する温度時の強度である。金型材料の高温強度は室温強度と相関があり，高硬度化に伴い高温強度が向上する 121.本試験に用いた金型材料の高温強度として，Fig. 9に500 ℃および600亡における0.2 %耐力を示し，SKD61対比高硬度にすることが可能なDHA-HS1は高温強度が高く，摩耗量が少なくなったと考えられる.加えて，金型摩耗には金型温度が影響していることも考えられる''). 本試験における連続成形時の金型温度の推移をFig. 10に示す. この金型温度は直径1 mmの熱電対を用いて上型パンチの表層から２ｍｍ位置の温度を測定した結果である. 高熱伝導率材DHA-HS1はSKD61およびDH31-EX対比，プレス成形中の金型温度が約20 ℃低下した. この結果より、DHA-HS1の適用により，プレス成形中の金型温度の上昇が抑制され，金型表面の強度を高めることができたと考えられる.よって、金型強度の高低の順序と本試験での鋼種による摩耗量の優劣の順序が一致しており，本実機設備を用いて鋼種変更による耐摩耗性の評価が可能である.今後、高熱伝導率金型材料の適用による金型摩耗の抑制効果をさらに精度を上げて検証していく．本章で挙げた鍛造金型の摩耗予測モデルにおいて微小時間あたりのYS：金型強度が摩耗深さに影響している.  Fig. 10は表層から2 mm位置の金型温度であり，実際に摩耗が生じている最表面の温度はより高温になっている.その最大温度次第で金型強度が変わっていくため，プレス成形中の金型の最表面温度測定を今後検討していく. Fig. 8. Wear volume of upper evaluation parts after each shot.
Fig. 10. Temperature of evaluation parts at 2 mm depth from the surface.
4.
実機試験設備を導入し、金型摩耗評価技術の確立および摩耗への金型材料の影響について評価を行い，以下の知見が得られた. 1.本実機設備を用いた摩耗評価において,鋼種による摩耗の差が出ており，鋼種変更による耐摩耗性の評価が可能となった.複合的な要因に影響される金型摩耗の現象の解明に貢献できると考える. 2.当社開発鋼DHA-HS1は, SKD61対比高硬度(≤ 54 HRC）にすることが可能であり，かつプレス成形中の金型表面温度の上昇を抑制できることから，ホットスタンピング金型の耐摩耗性向上が可能である.今後、本評価技術の精度向上のために実際の金型損傷との相関関係や，金型凝着などの他の金型損傷の評価技術にも本設備を活用していく. DHAは大同特殊鋼株式会社の登録商標または商標です.
(文　献)
1）森謙一郎:ホットスタンピング入門,第1版,日刊工業新昭社(2015), 37. 2）森謙一郎:ホットスタンピング入門,第1版,日刊工業新岡社(2015), 107. 3）富士本博紀,中田匡浩,内原正人,今井和仁,小嶋啓達, 紹田良之:自動車技術会論文集,  47 (2016), 979. 4)小嶋啓達:塑性と加工, 54(2013), 586. 5）森謙一郎：ホットスタンピング入門, 第1版, 日刊工業新聞社(2015), 53. 6)森謙一郎:ホットスタンピング入門,第1版,日刊工業新岡社(2015), 33. 7）樋口成起,梅森直樹,増田哲也:型技術, 33(2018), 8, 98. 8）稲垣直人,樋口成起:型技術, 33 (2018), 13, 44. 9）梅森直樹, 稲垣直人:型技術,  34 (2019),  12,  56. 10) B. Painter, R. Shivpuri, T. Altan : J. Mater. Process. Tech, 59(1996), 132. 11）岡島琢磨,大江章平,吉田広明,五十川幸宏,石川考司：電気製鋼, 82(2011), 125. 12)河野正道:茶形材, 59(2018), 10.