特許 7368710 車両用鋼部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-17

(45)【発行日】2023-10-25

(54)【発明の名称】車両用鋼部材

(51)【国際特許分類】

   B62D 29/00 20060101AFI20231018BHJP

【ＦＩ】

B62D29/00

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019183188

(22)【出願日】2019-10-03

(65)【公開番号】P2021059151

(43)【公開日】2021-04-15

【審査請求日】2022-06-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100167634

【弁理士】

【氏名又は名称】扇田 尚紀

(74)【代理人】

【識別番号】100187849

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 隆史

(74)【代理人】

【識別番号】100212059

【弁理士】

【氏名又は名称】三根 卓也

(72)【発明者】

【氏名】広瀬 智史

【審査官】山本 賢明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０６３７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１１０２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２８３１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３８２７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６２Ｄ ２９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工硬化した表層部を有する車両用鋼部材であって、
表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表面における表面積の５０％以上の領域で、板厚方向における前記表面から板厚の１／６の位置の硬度が、板厚中心の位置の硬度よりも大きく、
前記１／６の位置における平均ビッカース硬さと、前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が２０～６０ＨＶである、車両用鋼部材。

【請求項2】

前記硬度差が４０ＨＶ以下である、請求項１に記載の車両用鋼部材。

【請求項3】

車両用鋼部材であって、
表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表面における表面積の５０％以上の領域で、板厚方向における前記表面から板厚の１／６の位置の硬度が、板厚中心の位置の硬度よりも大きく、
前記１／６の位置における平均ビッカース硬さと、前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が２０～６０ＨＶであり、
前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さが３５０ＨＶ以上である、車両用鋼部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車などの車両に用いられる車両用鋼部材に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車などの衝突性能が求められる製品においては、車体を構成する部材の板厚を厚くすることで衝突性能を向上させることが可能である。しかし、単に部材の板厚を厚くするだけでは車体重量が増加し、燃費や走行性能の点で不利になる。このため、自動車などの車両に用いられる車両用部材においては、材料の高強度化と薄肉化によって、より優れた衝突性能の確保と軽量化を両立させることが望ましい。しかし、高強度の材料は一般的に延性が小さいため、延性が大きい材料よりも成形性が悪く、製品形状によっては加工が困難になることもある。したがって、衝突性能、軽量化および成形性の観点においては、成形時には比較的軟らかく、車体完成時には硬い車両用部材が求められる。

【0003】

部材の硬度を高める方法としては、ブランクから製品形状に加工された部材に熱処理を施して表面を硬化させる方法が知られている。熱処理で表面が硬化された部材として、特許文献１には、特定部位に窒化処理が施された成形体について記載されている。特許文献２には、焼入れによって強化された強化部と非強化部が板厚方向に並び、かつ、その強化部が軸方向に沿って板厚方向の内側と板厚方向の外側に交互に設けられた衝撃吸収部材について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００２－０２０８５４号公報

【文献】特開２０１１－１３１８４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のような窒化処理では、部材の表面から数μｍまでしか硬化されず、衝突性能の観点においては改善の余地がある。特許文献２に記載された衝撃吸収部材は、衝突時に軸方向からの入力が想定される部材（例えば自動車のフロントサイドメンバー）として使用されるものであり、車体を構成する部材としての用途は制限される。また、特許文献２のように衝撃吸収部材の軸方向に沿って板厚方向の内側と板厚方向の外側に交互に焼入れを行うことは、一般的な焼入れ設備では実現することが困難であり、部材の製造し易さといった点では課題がある。

【0006】

一方、成形後の部材の硬度を高めるためには、例えば焼き付け硬化によって硬度を高めることを目的とした焼付硬化性鋼板（ＢＨ鋼板）を部材の材料として使用することも考えられる。しかしながら、一般的な焼付硬化性鋼板による焼き付け硬化の硬化量では、衝突性能の観点においては改善の余地がある。

【0007】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、車両用鋼部材において、素材の板厚増加や高強度化をせずに衝突性能を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決する本発明の一態様は、加工硬化した表層部を有する車両用鋼部材であって、表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表面における表面積の５０％以上の領域で、板厚方向における前記表面から板厚の１／６の位置の硬度が、板厚中心の位置の硬度よりも大きく、前記１／６の位置における平均ビッカース硬さと、前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が２０～６０ＨＶであることを特徴としている。
別の観点による本発明の一態様は、車両用鋼部材であって、表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表面における表面積の５０％以上の領域で、板厚方向における前記表面から板厚の１／６の位置の硬度が、板厚中心の位置の硬度よりも大きく、前記１／６の位置における平均ビッカース硬さと、前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が２０～６０ＨＶであり、前記板厚中心の位置における平均ビッカース硬さが３５０ＨＶ以上であることを特徴としている。

【発明の効果】

【0009】

車両用鋼部材において、素材の板厚増加や高強度化をせずに衝突性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る車両用部材の、板厚方向に平行な断面を示す図である。

【図2】車両用部材の定義について説明するための図である。

【図3】車両用部材の平均ビッカース硬さの測定方法を説明するための図である。

【図4】車両用部材の平均ビッカース硬さの測定方法を説明するための図である。

【図5】４点曲げ衝撃試験シミュレーションの解析モデルを示す図である。

【図6】シミュレーション（１）における各解析モデルの最大反力を示す図である。

【図7】シミュレーション（１）における各解析モデルのエネルギー吸収量を示す図である。

【図8】各解析モデルの予測破断ひずみを示す図である。

【図9】シミュレーション（２）における各解析モデルの最大反力を示す図である。

【図10】シミュレーション（２）における各解析モデルのエネルギー吸収量を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0012】

本明細書における“車両用鋼部材”とは、車体の構成部品として使用され得る部材を指し、一例として自動車のフロアパネル、ルーフパネル、または構造部材（サイドメンバーやクロスメンバー等）を構成するインナーパネルやアウターパネル等の部品が挙げられる。また、“車両用鋼部材”には、製品形状に加工された成形後の部品の他、ブランクと製品形状の部品の間の中間製品、さらにはブランクそのものも含まれる。なお、車体の構成部品には、複数の部材が例えばスポット溶接やレーザー溶接等で互いに接合された複合部材で構成される部品もあるが、本明細書における“車両用鋼部材”とは、そのような他の部材と接合された複合部材ではなく、複合部材を構成する単体の部材のことを指す。また、例えば車体の構成部品が溶接部を有する複合部材で構成されている場合、本明細書における“車両用鋼部材”とは、図２に示されるように周囲が溶接部Ｗと、エッジ１ａによって囲まれている領域の部材のことを指す。

【0013】

図１は本実施形態に係る車両用部材１の板厚方向に平行な断面を示す図である。本実施形態の車両用部材１は、表面２近傍の硬度が、板厚中心部の硬度よりも高く、表層部が板厚中心部よりも硬くなっている。詳述すると、車両用部材１の板厚をｔとしたときに、板厚方向における“表面２から板厚ｔの１／６の位置”の平均ビッカース硬さが、板厚方向における“表面２から板厚ｔの１／２の位置”、すなわち、車両用部材１の“板厚中心Ｃの位置”における平均ビッカース硬さより大きく、その硬度差は５～６０ＨＶとなっている。なお、本実施形態の車両用部材１は、表側の表面２（オモテ面２ａ）および裏側の表面２（ウラ面２ｂ）の両面において、表層部の硬度が板厚中心部の硬度よりも高くなっている。すなわち、板厚方向における、表側の表面２（オモテ面２ａ）から板厚ｔの１／６の位置の平均ビッカース硬さが板厚中心Ｃの位置における平均ビッカース硬さよりも５～６０ＨＶ高く、また、板厚方向における、裏側の表面２（ウラ面２ｂ）から板厚ｔの１／６の位置の平均ビッカース硬さが板厚中心Ｃの位置における平均ビッカース硬さよりも５～６０ＨＶ高くなっている。車両用部材１は、本実施形態のように表側の表面２（オモテ面２ａ）および裏側の表面２（ウラ面２ｂ）の両面において、表層部の硬度が板厚中心部の硬度よりも高くなっていることが好ましいが、衝突性能向上の観点からは、表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表層部の硬度が板厚中心部の硬度よりも高くなっていればよい。

【0014】

後述の実施例で示されるように、表層部が板厚中心部よりも５～６０ＨＶ硬い車両用部材１は、板厚増加や高強度化をせずに衝突性能を向上させることができる。すなわち、本実施形態の車両用部材１によれば、板厚を厚くしなくても衝突性能を向上させることができるため、従来の車両用部材１と同程度またはそれ以上の衝突性能であっても従来の車両用部材１よりも板厚を薄くすることが可能あり、車体重量を軽減することができる。また、本実施形態の車両用部材１によれば、素材を高強度化しなくても衝突性能を向上させることができるため、従来の車両用部材１と同程度またはそれ以上の衝突性能であっても従来の車両用部材１よりも強度の低い素材を採用することが可能であり、成形性が向上する。したがって、本実施形態の車両用部材１は、衝突性能、軽量化および成形性のバランスがとれた部材である。

【0015】

上記のような衝突性能の向上効果を得るためには、前述の通り、表面２を起点とした、板厚方向における板厚ｔの１／６の位置の平均ビッカース硬さが、板厚中心Ｃの位置の平均ビッカース硬さよりも大きく、その硬度差が５～６０ＨＶである必要がある。硬度差が５ＨＶ未満である場合は、衝突性能の向上効果が十分に得られない。衝突性能を効果的に向上させる観点においては、硬度差は１０ＨＶ以上であることが好ましく、２０ＨＶ以上であることがより好ましく、３０ＨＶ以上であることがさらに好ましい。一方、硬度差が６０ＨＶを超える場合には、表層部の延性が小さくなり、衝突時において表層部の割れの発生が懸念される。そのような割れ懸念をより小さくするためには、硬度差は５０ＨＶ以下であることが好ましく、４０ＨＶ以下であることがさらに好ましい。また、衝突性能の向上効果を得られやすくするためには、車両用部材１の板厚中心Ｃの位置における平均ビッカース硬さは３５０ＨＶ以上であることが好ましい。

【0016】

また、車両用部材１において、板厚ｔの１／６の位置と板厚中心Ｃの位置における硬度差が５～６０ＨＶとなっている領域は、車両用部材１の表側の表面２（オモテ面２ａ）の表面積の５０％以上の領域、または、裏側の表面２（ウラ面２ｂ）の表面積の５０％以上の領域、または、表側の表面２（オモテ面２ａ）の表面積の５０％以上の領域および裏側の表面２（ウラ面２ｂ）の表面積の５０％以上である必要がある。すなわち、硬度差が５～６０ＨＶである領域が、表側および裏側の少なくともいずれか一方側の表面２の表面積の５０％以上である必要がある。５～６０ＨＶの硬度差を有する領域が表面積の５０％未満であると、衝突性能の向上効果が十分に得られない。衝突性能を効果的に向上させる観点においては、上記硬度差を有する領域は多いほど好ましい。したがって、上記硬度差を有する領域は、車両用部材１の表面積の７５％以上であることがより好ましく、１００％であることがさらに好ましい。なお、車両用部材１が車体に取り付けられた際に、車両用部材１の上記硬度差を有する領域は必ずしも衝突側に位置していなくてもよい。例えば自動車のフロントサイドメンバーにおいて、車両用部材１の上記硬度差を有する部分がフロントサイドメンバーのリア部に集中的に存在していたとしても、前面衝突時にはフロントサイドメンバーのリア部にも衝撃荷重が入力されるため、上記硬度差を有する部分が全く存在しない場合に比べて衝突性能は向上する。

【0017】

（平均ビッカース硬さの算出方法）
車両用部材１の平均ビッカース硬さは次のようにして算出される。まず、図３のように車両用部材１の任意の位置で車両用部材１を切断する。なお、車両用部材１が他の部材に溶接された状態にある場合は、溶接時の入熱によって材質が変化する部分に相当する熱影響部を除いた領域の任意の位置で車両用部材１を切断する。続いて、図４のように車両用部材１の切断面において、板厚方向における表面２から板厚ｔの１／６の位置にある１０点に対してJIS Z 2244:2009に準拠したビッカース硬さ試験を行い、１点ずつビッカース硬さを測定する。ただし、硬度測定点となる１０点については互いに３ｍｍずつ間隔を空けることとする。以上の手順で測定された計１０点分のビッカース硬さを算術平均し、算出されたビッカース硬さの平均値を本明細書における“表面２から板厚ｔの１／６の位置の平均ビッカース硬さ”とする。同様に、板厚中心Ｃの位置にある１０点に対しても１点ずつビッカース硬さを測定し、測定された計１０点分のビッカース硬さを算術平均することで得られたビッカース硬さの平均値を本明細書における“板厚中心Ｃの位置における平均ビッカース硬さ”とする。

【0018】

そして、上記のような平均ビッカース硬さの測定を、車両用部材１の無作為に選ばれた２０箇所で行い、１５箇所以上で、板厚ｔの１／６の位置と板厚中心Ｃの位置における硬度差が５～６０ＨＶとなっていれば、統計学的に“表面積の５０％以上の領域で、板厚ｔの１／６の位置と板厚中心Ｃの位置における硬度差が５～６０ＨＶである”と推定される。

【0019】

（表面積の算出方法）
車両用部材１の表面積は、三次元測定機によって車両用部材１の形状データを取得し、取得した３Ｄモデルから算出される。

【0020】

（車両用部材の製法例）
表層部の硬度が板厚中心部の硬度よりも５～６０ＨＶ高い車両用部材１を得るためには、材料の表層部を塑性変形させて加工硬化させる必要がある。本発明者によってなされた種々の解析結果によれば、上記硬度差を有する車両用部材１は、板厚方向における表面２から板厚ｔの１／４の位置に２％以上の塑性ひずみを付与することで得られることが判明した。このような塑性ひずみを付与する方法の一例として、例えば圧延後の鋼板に対して軽圧下を行う方法や、鋼板の反りや波打ち等を矯正するレベラーによって鋼板に対して通常よりも大きな塑性ひずみを付与する方法がある。なお、通常のレベラーによって付与される、板厚ｔの１／４の位置における塑性ひずみは１％程度であり、この程度の塑性ひずみでは、硬度差が５ＨＶ以上となるような表層部の加工硬化は生じない。

【0021】

表層部の硬度を大きくする方法としては、鋼板の焼入れや窒化処理を行う方法もあるが、焼入れの場合、表層部が板厚中心部よりも７０ＨＶ以上硬くなり、このような硬度差を有する部材は、本実施形態の車両用部材１よりも衝突時に表層部の割れが生じやすくなる。窒化処理の場合も同様であり、表層部が板厚中心部よりも７０ＨＶ以上硬くなる。また、窒化処理では、そもそも表面２から数μ程度の深さまでしか硬化できないため、板厚ｔの１／６の位置における硬度と、板厚中心Ｃの位置における硬度は概ね等しくなり、本実施形態の車両用部材１とは硬度分布が異なる。このため、窒化処理で表層部が硬化された部材は、本実施形態の車両用部材１のような衝突性能は得られない。

【0022】

なお、例えば鋼板からなるブランクを所望の製品形状にプレス成形する場合には成形品に局所的に加工硬化が生じ得るが、自動車の車体を構成する部品の場合、成形過程で加工硬化が生じる領域は、部材の表面積の１０％程度の領域である。この程度の領域で表層部と板厚中心部との硬度差が５～６０ＨＶとなっていたとしても、衝突性能の向上にはほとんど寄与しない。

【0023】

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【実施例】

【0024】

＜シミュレーション（１）＞
図５に示される解析モデルを用いて４点曲げ衝撃試験シミュレーションを実施した。４点曲げ衝撃試験は、部材の衝突性能評価に利用される試験の一つである。本シミュレーションにおける試験体１０は、断面形状がハット状の、高さ６５ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ９００ｍｍ、板厚０．８ｍｍの部材である。試験体１０の素材として、モデル１では引張強度が１４７０ＭＰａの鋼板を想定しており、モデル２～７では引張強度が１１８０ＭＰａの鋼板を想定している。モデル１およびモデル２の鋼板は、材料全域で硬度が均一であり、モデル３～７の鋼板は、板厚方向における表面から板厚の１／６の位置の硬度が板厚中心の位置における硬度よりも大きくなっている。表面から板厚の１／６の位置の硬度と板厚中心の位置における硬度の硬度差は、モデル３では５ＨＶ、モデル４では２０ＨＶ、モデル５では４０ＨＶ、モデル６では６０ＨＶ、モデル７では８０ＨＶとなっている。また、モデル３～７の試験体１０において上記の各硬度差を有する領域は、試験体１０の表側表面の全域および裏側表面の全域となっている。

【0025】

これらのモデルを用いて、曲げスパンを７００ｍｍ、インパクタ２０の衝撃速度を３６ｋｍ／ｈに設定してシミュレーションを実施した。その結果を図６および図７に示す。図６では、衝撃に対する各解析モデルの最大反力が比較され、図７では、インパクタ２０の２０ｍｍストローク時における各解析モデルのエネルギー吸収量が比較されている。

【0026】

図６および図７に示されるように、モデル３～７の最大反力およびエネルギー吸収量は、モデル３～７より引張強度が高いモデル１と同等またはそれ以上の値となった。すなわち、モデル３～７の試験体１０は、１グレード高い強度の鋼板を用いたモデル１の試験体１０と同等またはそれ以上の衝突性能を有している。

【0027】

次に、各モデルの硬度から想定される材料特性に基づいた引張試験シミュレーションを実施し、引張試験シミュレーションの結果から予測される破断ひずみと、４点曲げ衝撃試験シミュレーションにおける最大ひずみとを比較した。その結果を図８に示す。

【0028】

図８に示されるように、板厚の１／６の位置の平均ビッカース硬さと、板厚中心の位置における平均ビッカース硬さの硬度差が６０ＨＶを超えると、衝撃試験における最大ひずみが予測破断ひずみよりも大きくなっていた。したがって、表層部と板厚中心部の硬度差が６０ＨＶを超える車両用部材においては、衝突時の割れ懸念が高まると考えられる。

【0029】

図６～図８が示す結果によれば、板厚方向における表面から板厚の１／６の位置の平均ビッカース硬さと、板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が５～６０ＨＶであれば、衝突時の割れ懸念を小さくしつつ、車両用部材の衝突性能を向上させることが可能となる。

【0030】

＜シミュレーション（２）＞
上記シミュレーション（１）のモデル５をベースとして、部材表面積に対する、表層部と板厚中心部の硬度差（４０ＨＶ）が生じている領域の割合を変えたモデルを作成し、４点曲げ衝撃試験シミュレーションを実施した。各モデルともに、４０ＨＶの硬度差が生じている領域はランダムに分布している。シミュレーション条件は、試験体１０の硬度分布が異なること以外、シミュレーション（１）と同様の条件である。本シミュレーションの結果を図９および図１０に示す。図９では、衝撃に対する各解析モデルの最大反力が比較され、図１０では、インパクタ２０の２０ｍｍストローク時における各解析モデルのエネルギー吸収量が比較されている。図９および図１０の横軸における“表面積に占める割合Ａ％”とは、試験体１０の表側の表面積のＡ％の領域において表層部と板厚中心部で４０ＨＶの硬度差が生じ、かつ、試験体１０の裏側の表面積のＡ％の領域において表層部と板厚中心部で４０ＨＶの硬度差が生じていることを意味している。なお、４０ＨＶの硬度差が生じている領域以外の領域の硬度差は５ＨＶ未満となっている。

【0031】

図９および図１０に示されるように、硬度差が生じている領域が表面積の５０％以上であれば、表面積の１００％の場合と概ね同等の性能が発揮されている。すなわち、衝突性能向上の観点においては、板厚方向の１／６の位置における平均ビッカース硬さと、板厚中心の位置における平均ビッカース硬さとの硬度差が５～６０ＨＶである領域が部材表面積の５０％以上であればよい。

【産業上の利用可能性】

【0032】

本発明は、自動車などに用いられる車両用部材として利用することができる。

【符号の説明】

【0033】

１ 車両用部材
１ａ エッジ
２ 表面
２ａ オモテ面
２ｂ ウラ面
１０ 試験体
２０ インパクタ
Ｃ 板厚中心
ｔ 板厚

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】