热成形钢制品的制造方法

专利名称：：热成形钢制品的制造方法
技术领域：
：本发明主要涉及的是，在制造适用于机动车车体的薄钢板成形品的领域中，将此作为原材的钢板(毛坯)加热到奥氏体+铁素体温度(Ad相变点)以上后，进行热压成形而制造成形品的方法，以及由这种钢板成形的成形品等，特别是涉及在冲压成形时不会发生断裂和裂纹等，能够实现良好的成形的制造方法和成形品等。
背景技术：
：在机动车用零件中，为了达到使碰撞安全性和轻量化并存，零件原材的高强度化被推进。另外这种零件一般通过冲压成形钢板来制造。然而，对于被高强度化了的钢板实施冷加工时，特别是超过980MPa的原材的成形很困难。因此，进行了在加热的状态下对原材钢板进行成形加工的热成形技术的研究。作为这一技术，例如在专利文献l中，提出有将金属原材加热到850105(TC的状态下，使用相对低温的冲压金属模进行成形的技术。根据该技术，认为金属材料的成形性变得更为良好，也能够防止由残留应力造成的延迟断裂的发生。特别是用通常的冷冲压方法便能够得到这样一种零件，其具有相当于将被认为成形困难的抗拉强度为1470MPa级的高强度钢板作为原材时的强度，尺寸精度也良好。图1是显示用于实施上述这种热形成(以下称为"热冲压(hotstamping)")的金属模结构的概略说明图，图中1表示冲头(punch),2表示冲模，3表示坯夹(blankholder)(防皱压板)，4表示钢板(毛坯)，BHF表示防皱压板力，rp表示冲头肩半径，rd表示冲模肩半径，CL表示冲头/冲模间间隙。另外，这些金属模零件之中，构成为在冲头l和冲模2上分别在其内部形成有能够使冷却剂(例如水)通过的通路la、2a，通过使冷却剂通过该通路而冷却这些构件。使用上述这样的金属模进行热冲压(例如热深拉加工)时，将毛坯(钢板4)加热到AC3相变点以上而在其软化的状态下开始成形，即，将处于高温状态的毛坯夹在冲模2和坯夹3间，以此状态由冲头1将钢板4压入冲模2的孔内，一边收縮毛坯的外径一边成形为与冲头1的外形对应的形状。形成中由于冲头和冲模毛坯的温度降低，最终通过在成形下死点进行保持冷却而实施原材的淬火。通过实施这一成形法，能够得到尺寸精度优良、例如1470MPa级的零件，而且与冷形成同等强度级的零件的情况相比较，由于成形载荷能够降低，因此可以使冲压机的容量变小。然而，因为被加热的毛坯与金属模的接触时机因部位而有所不同，所以在毛坯内会产生温度分布，从而在同一毛坯内容易发生因温度分布引起的材料强度的不均一。特别是在需要防皱压板的拉深成形中，被夹在防铍压板与冲模中的毛坯部分在成形中温度会急剧降低。随着此温度降低，材料的变形阻抗也会上升，因此在成形途中材料上容易发生断裂和裂纹。由此，即使在通过加热好不容易才使毛坯软化了的状态下，由于上述理由仍会有不能拉深成形这样的问题。作为能够适用于热冲压的钢板，例如提出有专利文献2、3这样的钢板。这些钢板是通过规定钢板的化学成分组成，而使热成形加工后的硬化能优异的技术。根据这些技术，能够得到成形加工后的硬化能有所提高的钢板，但是，出于制造的零件形状和热成形加工条件，仍然会有断裂和裂纹发生。上述这种热冲压技术，一般是指加热到奥氏体温度(AC3相变点)以上之后再进行加工的技术，不过还提出有将毛坯的加热温度加热到假定为Ac3相变点以下的温度而进行冲压成形的技术(例如专利文献4)。然而，如果加热到上述温度范围后再成形，则本发明者发现会有拉深成形性容易进一步降低的倾向(非专利文献l)。专利文献l:特开2002-102980号公报专利请求的范围等专利文献2:特开2004-124221号公报专利请求的范围等专利文献3:特开2004-315927号公报专利请求的范围等专利文献4:特开2003-126920号公报专利请求的范围、段落编号(0041)、(0042)等。非专禾U文献"HotStampingDrawabilityofSteel"(ProceedingsIDDRG)2004,P34
发明内容本发明在这种状况而进行，其目的在于，提供一种用于制造热成形钢制品的有效的方法，和由该钢板成形的热成形品等，其在对钢板进行热成形之际，能够在成形时不使断裂和裂纹等发生，从而实现良好的成形。所谓能够达成上述目的的本发明的热成形钢制品的制造方法，具有如下要旨将钢板热成形而用于制造成形品所使用的钢板加热而进行奥氏体化后，以20°C/秒以上的平均冷却速度冷却该钢板至马氏体相变开始温度Ms以下的温度范围，将冷却后的钢板进行热成形。通过上述热处理得到的钢板成形性(特别是拉深成形性)优异。另外将这种钢板加热到Ad相变点以上的温度后，进行热成形，由此，能够得到品质良好的热成形品。在本发明中，加热钢板进行奥氏体化后，以20'C/秒以上的平均冷却速度将该钢板冷却至马氏体相变开始温度Ms以下的温度范围，通过预先赋予这样的热过程，能够实现的热成形用钢板其热成形之际的成形性良好，且能够容易地进行拉深成形，通过使用这样的钢板，能够得到成形时不会发生断裂和裂纹的品质良好的成形品。图1是表示用于实施热成形的金属模构成的概略说明图。图2是表示先前开发的金属模的结构的概略说明图。图3是表示各种钢板的组织的图纸代用照片。图4是关于成形试验片时的最大成形载荷和有无裂纹发生的结果所显示的柱状图。图5是模式化地表示实施了成形的成形品的外观形状的立体图。图6是模式化地表示有裂纹发生时的外观形状的立体图。符号说明1冲头2冲模3坯夹4钢板(毛坯)7销具体实施例方式本发明者早就对于能够实现良好的冲压成形性的技术进行了研究，作为该研究的一环，提出了关于利用图2所示的金属模进行拉深成形的技术(特开2005-14002号)。此金属模的结构构成为，在坯夹3的一部分上设有用于支承钢板的销7，在该销7上载置钢板4，由此，能够使冲模2和坯夹3与钢板处于一种不直接接触却又临近的状态(图2中，其他部分的构成基本上与所述图1相同)。而且在成形时，使销7的上面与坯夹的上面成为一面，成为使钢板4被载置于坯夹3上的状态。在上述这种金属模结构中，成形前由销7支承钢板4，从而避免钢板4与金属模(特别是冲模2和坯夹3)的直接性的接触，由此将使冲头1的上面部分和其以外的大部分大致同时冷却，能够防止由钢板4的温度不均一引起的冲头面上的材料强度、凸缘面上的材料强度相对地变低。其结果是，特别防止了冲头面上的断裂，拉深成形性被改善。另一方面，本发明者还发现，如果使钢板表面存在规定厚度的氧化皮，则拉深成形性提高。即，在现有的热成形中，考虑到成形后的后处理，从防止毛坯表面的氧化这一观点出发，认为加热要在非氧化气氛中进行，优选毛坯表面所形成的氧化皮尽可能薄(例如lO)Lim以下)。然而，根据本发明者的研究，可判明如果有意在钢板表面形成氧化皮，则避免了成形时的局部的降低，成形性反而提高，因为确认到该技术的意义而另行进行申请(特愿2004-151753号)。根据这些技术，能够使钢板的热拉深成形性进一步提高，但是根据状况推定有不能充分活用这些技术的情况。因此本发明者为了从组织面改善原材钢板自身的变形能力而反复研究时发现，通过对钢板实施上述这样的热过程，则其在热形成时成形性良好，拉深成形可容易地进行，从而完成了本发明。用于本发明的热成形钢制品的钢板，其通过如下方法取得将钢板加热(AC3相变点以上的温度)奥氏体化后，以20'C/秒以上的平均冷却速度将该钢板冷却至马氏体相变开始温度MS以下的温度范围，经过施加这样的热过程，热成形性被进一步改善。在上述热处理中，之所以钢板的加热温度为AC3相变点(奥氏体化温度)以上，是为了使钢板中的碳化物固溶在奥氏体中。另外，之所以在加热后以2(TC/秒(以下记为"°C/s")以上的平均冷却速度冷却至马氏体相变开始温度Ms以下，是为了使经过这一系列的冷却而得到的钢板的微组织成为极均一的马氏体组织，若平均冷却速度低于20'C/s,则冷却后的马氏体组织中，铁素体组织和贝氏体组织等的量增加，因此无法预期热拉深成形性的提高。因此优选为50°C/s以上的平均冷却速度。关于利用本发明使用的钢板而使成形性提高的理由虽然尚未完全明了，但是大致能够进行如下思考。即推测为，通过对毛坯进行一次奥氏体化，钢板中存在的碳化物消失(溶解于奥氏体)，其后经急速冷却使钢板的微组织均质化。再加热(成形前加热)该状态的钢板而进行成形时，因为在热成形中的钢板的微组织内不存在容易成为破坏起点的碳化物，所以破坏界限增加。另外，在奥氏体化后施加了急速冷却这样的热过程的钢板中其后在加热到二相域时，成形中的微组织呈板条状组织，这也成为成形载荷降低和断裂界限提高的要因，被认为会使成形性进一步提高。各种钢板的组织显示在图3中(图纸代用照片)。还有，图3(a)表示施加了上述热过程的钢板(本发明钢板)的组织，图3(b)表示没有施加上述热过程的钢板(现有钢板)的组织。另外，可知图中呈现白色的部分是马氏体，带黑色的部分为铁素体，但本发明使用的钢板的组织为板条状组织。一般来说，上述的板条状组织被认为不会因热加工而消失。说到原因，被认为是由于热形成后立即被金属模冷却，所以加热中或成形中的组织几乎以此状态被冻结。在本发明的制造方法中，是在热成形时加热到Ad相变点以上(奥氏体+铁素体区域)。成形温度越是处于临近该加热温度的状态(即，从加热到成形开始的放冷时间越短)越能够得到理想的结果(参照后述图4)。这是由于，如果放冷时间越变长，则加热状态下生成的奥氏体在放冷中完全分解，作为热冲压的目的的硬度不充分。该放冷时间的优选范围根据板厚也有所不同，板厚越大，则尽管长时间放冷也不会有影响，但是例如放冷板厚为1.4mm的钢板时，其放冷时间优选为20秒以下。本发明的制造方法的效果在使用具有防皱压板的金属模进行成形(即，拉深成形)时显著地发挥，但是在该必要条件外并用先前提出的技术也有效。即，采用所述图2显示的金属模结构实现钢板的温度均一性，和使用表面形成有15pm以上的氧化皮的钢板进行冲压成形也有效，通过并用这一技术，将使本发明的效果更有效地发挥。另外如上述宗旨表明的，本发明的成形品不限于使用防皱压板进行成形的拉深成形品，也包括通过通常的冲压成形而得到的成形品，即使是制造这种成形品时，也能够达到本发明的制造方法带来的效果。还有，在本发明使用的钢板的化学成分组成中，没有特别限定，只要是热冲压通常所使用的钢板即可。优选使用的钢板含有C:0.100.35y。(质量％的意思，以下同)、Mn:2%以下、Si:0.13.0%、Al:0.010.5%、Ti:0.0010.05%、B:0.005%以下、P:0.03%以下、S:0.02%以下，余量是Fe和不可避免的杂质，根据需要还可以含有Cr:0.01l%、Mo:0.011%、Nb:0.0050.1%左右。另外，在实施热冲压之前对钢板施加上述热过程即可，预先对钢板施加这一热过程，即使其后经历了时间的钢板也能够发挥本发明的效果。以下，通过实施例更具体地展示本发明的效果，但是下述实施例并不限定本发明，遵循前、后述的宗旨进行设计变更的均包含在本发明的技术的范围内。实施例根据通常的方法，将具有下述表1所示的化学成分组成的钢轧制到厚1.4mm并退火。由此，将直径(毛坯径)为95mm圆形坯用于冲孔实验(该毛坯的Ad相变点为725°C，Ac3相变点为850°C，Ms点为45(TC)。在上述圆形坯中准备下述所示的各种试验片。试验片A:对于上述圆形坯不进行热处理(只进行上述轧制和退火现有材)试验片B:加热至90(TC的温度奥氏体化后，进行水冷(平均冷却速度20°C/s)，冷却至30(TC(本发明材)试验片C:加热至90(TC的温度奥氏体化后，通过强制空冷(平均冷却速度10°C/s)冷却至300。C(比较材)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>使用冲头的头部形状为正方形(一边为45mm)的金属模(方筒冲模和方筒冲头)(参照上述图2)，对于热处理后的各圆形坯(试验片AC)进行热方筒拉深成形。这时毛坯的加热使用电炉，在大气气氛中进行，将该加热温度设定在77(TC或810°C。另外，加热之时在每个加热温度控制加热保持时间，由此将加热中生成的氧化皮的厚度统一为大约20nm。成形实验使用上述图2所示的金属模，并设置在曲轴压力机(cmnkpress)上实施。成形速度根据曲柄旋转速度设定在40回/分。另外，成形开始温度的控制，是通过从加热炉取出毛坯，使到幵始成形的时间(放冷时间)变化来进行。这时成形开始温度是预先测定毛坯的自然放冷曲线，根据达到开始成形的放冷时间(5秒或10秒)进行推定。另外在成形过程中，成形开始后，在下死点保持约20秒钟，实施淬火操作。其他冲压条件如下。(其他冲压成形条件)防皱压板力3吨冲模肩半径rd:5mm冲头肩半径rp:5mm冲头一冲模间间隙CL:[1.32/2+1.4(钢板厚度)]mm成形高度37mm润滑剂使用氧化Ca系的膏状固体润滑剂，将其涂布在金属模上。关于形成各试验片时的最大成形载荷和有无列裂纹发生的结果显示在图4(柱状图)中。所谓这时的最大成形载荷是成形时需要的最大载荷，该载荷小的方法显示出良好的成形性。在图4中，"O"标记表示能够不发生裂纹的成形，"X"意思是在成形中发生了裂纹。另外，白色轮廓是加热温度为77(TC时的结果，斜线(影线)的是加热温度为81(TC时的结果。还有，加热温度大致为770。C的成形开始温度(推定温度)为725°C(放冷5秒)和68(TC(放冷10秒)，加热温度大致为81(TC的成形开始温度为755'C(放冷5秒)和705'C(放冷10秒)。如图4的结果表明的，可知在本发明的方法(使用试验片B的)中，最大成形载荷变低，没有裂纹发生，能够得到希望的成形品。相对于此，在实验片A和C中，最大成形载荷变大，容易发生裂纹。根据上述得到的成形品(没有裂纹发生的)的外观形状模式化地显示在图5中。另外，发生了裂纹的成形品的外观形状模式化地显示在图6中。关于放冷时间和最大成形载荷的关系，显示出放冷时间越长最大成形载荷变得越大的倾向，不过这可以被认为是钢板的强度上升而变形阻抗变大。权利要求1.一种热成形钢制品的制造方法，其特征在于，由如下工序构成加热钢板使其奥氏体化，以20℃/秒以上的平均冷却速度将所述被奥氏体化的钢板冷却至马氏体相变开始温度Ms以下的温度范围，对冷却后的所述钢板进行热成形而得到热成形钢制品。2.根据权利要求1所述的热成形钢制品的制造方法，其特征在于，将被冷却的所述钢板加热到Ac,相变点以上的温度后，进行热成形。3.根据权利要求1所述的热成形钢制品的制造方法，其特征在于，所述钢板以质量^计含有C:0.100.35%、Mn:2%以下、Si:0.13.0%、Al:0.010.5%、Ti:0.0010.05%、B:0.005%以下、P:0.03%以下、以及S:0.02%以下。全文摘要提供一种热成形钢制品的制造方法，在对钢板进行热成形时，能够在成形时不使断裂和裂纹等发生而实现良好的成形。当热成形钢板而得到成形品时，加热钢板奥氏体化后，以20℃/秒以上的平均冷却速度冷却该钢板至马氏体相变开始温度Ms以下的温度范围，将如此得到的热成形品用钢板加热到Ac₁相变点以上的温度后进行热成形，由此能够得到良好的热成形品。文档编号C22C38/38GK101107369SQ200680002690公开日2008年1月16日申请日期2006年3月23日优先权日2005年3月31日发明者浅井达也申请人:株式会社神户制钢所