超高張力鋼板の通電加熱プレスクエンチ加工 超高張力鋼板の通電加熱プレスクエンチ加工 ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 豊橋技術科学大学 森謙一郎 スバルレガシィ 材料比率 ハイテン 36.4% ウルトラハイテン 12.8% １．超高張力鋼板 スチール 46% アルミ 4.8% トヨタ クラウン，骨格部 材の45％が高張力鋼板 ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 ５．管材の熱間歯形成形 高張力鋼板の強度 高張力鋼板の強度 IF 自動車用板材の比強度の比較 自動車用板材の比強度の比較 板材 超高張力鋼板 最近 TRIP 従来高張力鋼板 DP Martensite 従来 ダイクエンチ 1500 超高張力鋼板： ウルトラハイテン 超高張力鋼板のプレス成形 プレス成形 超高張力鋼板の 超高張力鋼板のプレス成形 軟鋼板 SPCC アルミ合金板 A6061(T6処理材) z z 引張強さ 比重 980∼ 7.8 1470MPa 490∼ 7.8 790MPa 340MPa 7.8 310MPa 2.7 比強度 126∼188MPa 63∼101MPa 44MPa 115MPa 低価格 成形に関するノウハウの蓄積 超高張力鋼板の高温引張り特性 超高張力鋼板の高温引張り特性 SPFC980Y，板厚 1.2mm 超高張力鋼板： 1GPa以上 1000 150 800 100 600 400 50 200 サイドドアビーム センターピラー 0 200 400 温度 / ℃ 600 0 800 伸び / % 成形性：低 引張り強さ / MPa スプリングバック：大 通電型内加熱を用いた温・熱間プレス成形 通電型内加熱を用いた温・熱間プレス成形 １．超高張力鋼板 炉加熱 温度低下 酸化 ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 加熱 搬送 通電加熱 z z z ５．管材の熱間歯形成形 z 成形 利点 小さい温度低下 プレス作業との同期 少ない酸化スケール 高い加熱効率 加熱，成形 通電加熱実験 通電加熱実験 高張力鋼板 (SPFC440, 590, 780, 980) 長さ 130mm，幅 80mm， 板厚1.2mm サーモグラフィ 4.9 MPa 600mm 通電電圧 E=10V 板押えの構造 板押えの構造 板押え 120mm 5mm 板押え 電極 電極 V 絶縁体 通電加熱の映像 通電加熱の映像 (ＳＰＦＣ980) (ＳＰＦＣ980) 電極 通電加熱中のサーモグラフィ映像 通電加熱中のサーモグラフィ映像 (ＳＰＦＣ980) (ＳＰＦＣ980) 加熱温度と投入エネルギーの時間変化(SPFC980) 加熱温度と投入エネルギーの時間変化(SPFC980) 60 加熱温度 投入エネルギー 400 40 200 20 0 0 3 1 2 Time / sec Temperature / ℃ 600 80 エネルギ / kJ 1000 87kJ 800 温度と投入エネルギの関係 温度と投入エネルギの関係 100 892℃ 800 600 400 SPFC980 SPFC780 SPFC590Y SPFC440 200 0 20 40 60 Energy / kJ 80 面圧不均一の影響 面圧不均一の影響 加熱効率 加熱効率 100 加熱効率 /% 加熱効率 /% 加熱温度 / ℃ 1000 80 60 40 20 0 200 400 600 ℃ TT/ /℃ 800 1000 面圧不均一における温度分布 面圧不均一における温度分布 面圧不均一における温度分布 面圧不均一における温度分布 電極部 電極部 1018℃ 784℃ 面圧不均一の影響（t=1.2mm，E=10V） 面圧不均一の影響（t=1.2mm，E=10V） 面圧不均一における温度分布の計算結果 面圧不均一における温度分布の計算結果 [Ωm] 939℃ 811℃ 800 1000 0.01 0.001 600 片あたりなし 400 0.006 片あたりあり 0.006 200 0.001 37 0 1 時間 / s 0.01 2 最高温度からの冷却度合い（SPFC980Y） 最高温度からの冷却度合い（SPFC980Y） Decrease in temperature [ºC] 温度 /℃ 電極抵抗 [Ωm] 電極抵抗 1000 100 電極 80 3.0s 60 1000ºC 900 800 700 600 500 400 300 20 電極 40 0 1.0s 0.2s 200 400 600 800 Heating temperature [ºC] 通電加熱ハット曲げ成形装置 通電加熱ハット曲げ成形装置 温度分布の有限要素シミュレーション 温度分布の有限要素シミュレーション 800 ℃ 750 700 650 600 550 500 450 850 800 750 700 650 600 温度分布の有限要素シミュレーション 温度分布の有限要素シミュレーション 5.0s 20 950 900 実験条件 通電電圧：10V 板サイズ：130mm×20mm ポンチ 電極中心間距離：120mm 電極 スリット 素板 板押え 絶縁体 電極 温度 /C° ダイ 通電 (0.2秒) プレス A 変圧器 2秒保持 ON OFF ∼ 200V 60Hz ハット曲げ加工における ハット曲げ加工における スプリングバックと加熱温度の関係 スプリングバックと加熱温度の関係 ハット曲げの成形体（SPFC980Y） ハット曲げの成形体（SPFC980Y） 室温 550 ºC 740 ºC 980 ºC SpringbackΔθ [deg.] 6 4 2 0 ハット曲げ後の酸化スケール発生状況（SPFC980Y） ハット曲げ後の酸化スケール発生状況（SPFC980Y） SPFC980Y SPFC780Y SPFC590 SPFC440 SPCC 200 400 600 800 Heating temperature [ ℃] 1000 800ºCにおける絞り成形(SPFC980Y) 800ºCにおける絞り成形(SPFC980Y) Increase in weight [mg] 80 60 40 20 0 0 200 400 600 800 980 Heating temperature [ºC] 絞り成形体(SPFC980Y) 絞り成形体(SPFC980Y) １．超高張力鋼板 ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 Fracture (a) 600ºC ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 ５．管材の熱間歯形成形 (b) 800ºC はさみ込みクエンチ実験方法 実験材料 試験片材質：SPFC980Y 試験片寸法：130L×20W×1.2t 加熱温度 T=800,865,950,1035℃ はさみ込み保持時間 t=0.7,1.6,3.5,7.0s 超高張力鋼板 SPFC980Y，SAFC980D 荷重 z 硬さ測定 z 引張試験 電極 鋼製ブロック 115 絶縁体 試験片 30 SPFC980Y SAFC980D z 組織観察 電極押え S 0.0039 0.0036 30 主要成分組成 (mass%) C Si Mn P 0.14 1.00 2.23 0.010 0.13 0.90 2.24 0.012 115 基盤 通電後経過時間と試験片表面温度の関係（1035℃） 加熱温度，はさみ込み保持時間の硬さへの影響 表面温度測定 600 500 試験片表面温度 /ºC 未処理 300 200 100 t/s 7.0 3.5 1.6 0.7 0 800 測定部位 1100 900 1000 加熱温度 T / ℃ 金型接触 1000 800 0.7 s 600 1.6 s 400 3.5 s 200 0 はさみ込みクエンチ後の組織（T=1035℃） 7.0 s 2 4 6 8 通電後経過時間 t /s 1600 引張強さ σ / MPa 全面マルテンサイト 10 はさみ込みクエンチ後の引張特性 観察部位 ベーナイト 金型開放 t=7.0 s t=0.7 s 1200 未処理 15 t=7.0 s 400 (b) t=0.7s (c) t=7.0s 10 t=0.7 s 5 10μm (a) クエンチ前 25 20 未処理 800 30 0 700 800 900 1000 加熱温度 T / ℃ 1100 0 破断伸び / % 硬さ / HV 5 通電終了 400 加熱方法による比較 (t=7.0s) ハット曲げ成形実験方法 600 試験片材質：SAFC980D 試験片寸法：130L×20W×1.2t 抵抗加熱, t=7.0 s 400 z 転写精度 荷重 z 成形荷重 未処理 300 z 硬さ 炉加熱 200 φ37.6 100 電極押え 試験片 電極 絶縁体 R1 .8 1000 1100 40 ハット曲げ成形体写真 20 900 800 加熱温度 T / ℃ 0 700 R1 0 ハット曲げ成形の転写精度 0.5 R ダイ半径との差 / ｍｍ (a) 冷間 (b) T=740℃ (c) T=980℃ 0.4 R 0 0.3 ダイ ⊿R=R-R0 0.2 0.1 0 800 (d) T=1100℃ 900 1000 加熱温度 / ℃ 1100 ハット曲げ成形体の硬さ分布 (T=980℃) 最大成形荷重と加熱温度の関係 4 3 600 成形体 500 板押え パンチ 2 A ダイス 1 0 B C D 硬さ測定位置 800 900 1000 加熱温度 T / ℃ 1100 E 硬さ / HV 5 冷間加工：12kN 成形荷重 / ｋＮ 硬さ / HV 5 500 加熱温度 740,840,980,1100℃ 金型保持時間 t=3.5s 400 未処理 300 200 100 0 A B C 測定位置 D E ハット曲げ成形体の硬さ １．超高張力鋼板 500 ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 硬さ / ＨＶ 400 300 ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ 未処理 200 ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 100 0 800 900 1000 加熱温度 / ℃ ５．管材の熱間歯形成形 1100 プレコートスケール抑制剤塗布方法 プレコートスケール抑制剤塗布方法 加熱のみによるプレコートスケール抑制剤評価実験 加熱のみによるプレコートスケール抑制剤評価実験 評価したスケール抑制剤 剤種 防錆元素 タイプ A K,B,C,Na B Si,Na C Ca D C スポンジ エタノール 素板 使用鋼板 980MPa級高張力鋼板，1.2mm ① エタノールによる 超音波洗浄(計3回) ② 乾燥 ⑤ 保管 スケール抑制剤 ③ スポンジにより塗布 ④ 乾燥 中間紙 液化皮膜 犠牲酸化 犠牲酸化 犠牲酸化 評価 酸化評価実験条件 酸化評価実験条件 プレコートスケール抑制剤評価実験結果 プレコートスケール抑制剤評価実験結果 通電電圧：10V 試験温度：740, 840, 980, 1100℃ 試験片：長さ130mm, 幅20mm, 板厚1.2mm 板押え(100kg) 素板 10mm 電極 10mm (a) 740℃ (b) 980℃ スケール抑制剤A 絶縁体 10mm 10mm 通電加熱：急速，約2秒で 900℃→酸化スケール低減 (a) 740℃ 防錆剤C (b) 980℃ スケール厚さと加熱温度の関係 スケール厚さと加熱温度の関係 通電電圧：10V 試験温度：740, 840, 980, 1100℃ 試験片：長さ130mm, 幅20mm,荷重（サーボプレス） 板厚1.2mm A B C D 無塗布 5 4 3 通電後 (0.2秒) 2 プレス 1 70kg 70kg φ37.6 板押え 素板 電極 絶縁体 (0.1秒) R1 .8 3.5秒保持 0 1100 0 900 1000 加熱温度 / ℃ R1 800 40 20 スケール厚さ / μｍ 6 プレコート防錆剤を用いたハット曲げ成形実験条件 プレコート防錆剤を用いたハット曲げ成形実験条件 ハット曲げ成形体の肩R部の転写精度 ハット曲げ成形体の肩R部の転写精度 ハット曲げ成形品 ハット曲げ成形品 ダイ半径との差⊿R / mm 0.5 (a) 740℃ (b) 840℃ R プレコート 0.4 R 0 0.3 ダイ ⊿R=R-R0 0.2 無塗布 0.1 (c) 980℃ (d) 1100℃ 0 800 ハット曲げ成形体の中心線平均粗さ ハット曲げ成形体の中心線平均粗さ 1100 ハット曲げ成形体の硬さの変化 ハット曲げ成形体の硬さの変化 500 0.8 無塗布 400 素板 0.6 0.4 プレコート 無塗布 0.2 硬さ / ＨＶ 中心線平均粗さ / μｍ 900 1000 加熱温度 T / ℃ プレコート 300 素板 200 100 測定部 0 0 800 900 1000 加熱温度 T / ℃ 1100 800 900 1000 加熱温度 T / ℃ 1100 ハット曲げ成形体底面板厚中央部の組織写真 ハット曲げ成形体底面板厚中央部の組織写真 ハット曲げにおける成形荷重の変化 ハット曲げにおける成形荷重の変化 10 10μm 10μm 10μm （a） 740℃ （b） 840℃ 成形荷重 / kN マルテンサイト ベーナイト 5 無塗布 プレコート （c） 980℃ 0 0 200 400 600 800 1000 加熱温度 T / ℃ 洗浄前と後の表面写真(肩R部) 洗浄前と後の表面写真(肩R部) 模擬高温炉加熱：980ºC加熱して 模擬高温炉加熱：980ºC加熱して ５秒後に曲げ加工を行った成形体の肩R部表面 ５秒後に曲げ加工を行った成形体の肩R部表面 5mm 洗浄前 洗浄後 洗浄前 (a) 740℃ (b) 防錆剤あり (a) 防錆剤なし 洗浄前 洗浄前 洗浄後 (c) 980℃ 洗浄前と洗浄後における表面粗さの違い 洗浄前と洗浄後における表面粗さの違い 洗浄後 (b) 840℃ 洗浄後 (d) 1100℃ リン酸洗浄の影響 リン酸洗浄の影響 洗浄前 0.4 0.2 0 素板 平均粗さ / μｍ 平均粗さ / μｍ 洗浄後 0.6 0.6 0.4 900 1000 1100 加熱温度 / ℃ (a) 肩R部 洗浄前 素板 0.2 0 800 洗浄後 800 900 1000 1100 加熱温度 / ℃ (b) 底部 平均粗さ / μｍ 0.8 0.8 0.8 0.6 素板 0.4 0.2 0 2 4 6 8 時間 / min 10 通電急速加熱を用いた管材の熱間歯形成形 通電急速加熱を用いた管材の熱間歯形成形 １．超高張力鋼板 塑性加工研究室 有澤 直孝 ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 高張力鋼板 冷間加工 加工荷重大，成形性低 ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 熱間加工 加工荷重低，成形性向上 ダイクエンチによる強度向上 自動車用精密部品 熱間歯形成形 ５．管材の熱間歯形成形 通電加熱特性の調査および 熱間歯形成形への適用 円管端部からの給電による通電加熱 円管端部からの給電による通電加熱 通電加熱 電極 円管の通電加熱実験条件 円管の通電加熱実験条件 温度/℃ 1000 φ38.1 1.1 950 850 長方形ブランク 歯形成形領域 絶縁体 銅電極 断面積一定 銅圧盤 40 900 荷重(サーボプレス) 接触面圧 P = 20∼24MPa 800 銅箔 750 700 650 600 円管 銅電極 円管 円管 通電 通電電流 I = 3.0∼9.0kA 投入電力量Q = 35kJ 機械構造用炭素鋼鋼管 台形ブランク 円管端部からの給電による通電加熱状態 円管端部からの給電による通電加熱状態 円管端部からの給電による通電加熱状態 円管端部からの給電による通電加熱状態 実験条件 I=5.0ｋA，P=22MPa 銅電極 給電ケーブル 銅圧盤 実験条件 I=5.0ｋA，P=22MPa 銅電極 円管 円管 銅電極 銅電極 (a)ビデオ (b)サーモグラフィ 温度/℃ 1000 900 銅電極 温度/℃ 1000 900 800 800 700 700 600 500 600 500 400 300 銅電極 200 経過時間 (a)ビデオ (a)ビデオ sec 経過時間 sec (b)サーモグラフィ (ｂ)サーモグラフィ 400 300 200 接触面圧Pと通電電流Iの加熱状態への影響（Q=35kJ) 接触面圧Pと通電電流Iの加熱状態への影響（Q=35kJ) 通電完了直後の円管の温度分布 通電完了直後の円管の温度分布 （Q=35kJ，I=5.0kA，P=22MPa） （Q=35kJ，I=5.0kA，P=22MPa） 26 銅電極 銅電極 800 700 銅箔 t=0.2mm×4枚 600 500 400 300 均一加熱・変形あり 接触面圧 P / MPa 温度/℃ 1000 900 端部局部加熱 24 22 均一加熱・変形なし 20 200 銅電極 銅電極 (a)銅箔なし (b)銅箔あり 不均一加熱 18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 通電電流 I / kA 通電完了直後の円管軸方向の温度分布 通電完了直後の円管軸方向の温度分布 (Q=35kJ，P=22MPa) (Q=35kJ，P=22MPa) 1/36モデル 通電電流 I = 7.0ｋA 5.0ｋA 600 b 円管 3.0ｋA 円管 400 銅電極 200 円管 0 5 10 15 10 銅電極 40 L 800 20 1000 温度 / ℃ 円管の有限要素シミュレーションモデル 円管の有限要素シミュレーションモデル 6.7 要素分割 実接触面積率 Cr 20 円管中央からの距離 L / mm 接触部1個あたりの接触幅 b 有限要素シミュレーションによる接触面積率の影響 有限要素シミュレーションによる接触面積率の影響 (I=7.0kA) (I=7.0kA) 有限要素シミュレーションによる接触面積率の影響 有限要素シミュレーションによる接触面積率の影響 (I=7.0kA) (I=7.0kA) 拡大図 銅電極 円管 (a) Cr = 100% (b) Cr = 25% 銅電極 円管 (c) Cr = 10% (d) Cr = 8% 銅電極 温度/℃ 25 200 400 600 800 1000 円管 (a) Cr = 100% (b) Cr = 25% 銅電極 円管 (c) Cr = 10% (d) Cr = 8% 温度/℃ 25 200 400 600 800 1000 有限要素シミュレーションによる接触幅の影響 有限要素シミュレーションによる接触幅の影響 (C (Crr=10%) =10%) 放射状線電極を用いたカップの通電加熱実験条件 放射状線電極を用いたカップの通電加熱実験条件 銅電極 1/18モデル 荷重(サーボプレス) 接触面圧 P = 22MPa 銅線(φ0.9mm) 円管 (a) b=1.34mm 100 温度/℃ 25 200 400 600 800 1000 1200 銅線 通電電流 I = 5.0∼7.0kA 投入電力量Q = 35kJ 100 カップ (b) b=0.335mm 22 銅電極 カップ 公称接触面積率Cn = 38% 通電完了直後のカップ軸方向の温度分布 通電完了直後のカップ軸方向の温度分布 (Q=30kJ，P=22MPa) (Q=30kJ，P=22MPa) 放射状線電極を用いたカップの通電加熱状態 放射状線電極を用いたカップの通電加熱状態 (I=7.0kA) (I=7.0kA) 1000 カップ 銅電極 銅電極 600 5.0ｋA カップ 400 L 200 22 銅電極 通電電流 I = 7.0ｋA 800 温度 / ℃ 銅電極 温度/℃ 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 通電完了直後のカップの温度分布 加熱動画 0 5 10 15 20 カップ上端からの距離 L / mm カップの熱間歯形成形 カップの熱間歯形成形 １．超高張力鋼板 スプライン溝 スライド 下電極 パンチ ダイス エアシリンダ カップ 上電極 ダイス ２．通電型内加熱を用いた温・熱間 プレス成形 ３．熱間プレス成形におけるプレス クエンチ ４．熱間プレス成形におけるプレ コートスケール抑制剤による表 面酸化の低減 ボルスタ 歯形成形後のカップ ５．管材の熱間歯形成形 25
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