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日立ハイテク ホットスタンプによるドアインナーのアルミ化 【金型テクノラボ】

アルミホットスタンプは高温に加熱されたアルミ板材を簡易冷却金型内に挿入し、プレス加工と同時に焼入れが行われ、高強度、高成形性および高寸法精度を付与する技術。最新のアルミ板加工技術であり、今回のテクノラボでは、アルミホットスタンプ技術に必要な材料、金型、加熱、潤滑、プレスの各技術について総合的に解説する。

アルミホットスタンプ加工によるドアインナーの成形事例(1㎜板厚・表裏面)

アルミホットスタンプの課題と実用性

ホットスタンプ技術はすでに鋼板で実用化されており、超高強度1500Mpaと高寸法精度が要求される車体のキャビン周りの部材に採用されている。同技術は超ハイテン化を実現すると共に、高温プレス加工直後の焼入れで成形性と寸法精度を改善する。ただし、冷間プレス加工に比べて設備投資増、生産性低下がネックとなる。

アルミ板材も熱処理系合金であれば、同技術を用いて鋼板と同じく高強度、高成形性および高寸法精度化が可能である。ただし、鋼板のような超ハイテン化を実現することは難しい。6000(Al-Mg-Si)系アルミ合金材のホットスタンプ加工で得られる強度は300Mpa前後、成形性はSPCE相当まで向上することが期待される。

どんな金型が必要か

鋼鈑向けホットスタンプ用金型としては、熱間用ダイス鋼SKD61が一般的で必要に応じてメッキ処理が施される。鋼板用金型内には水冷管が複雑に配置され、プレス下死点で急速冷却されることが重要である。一方、アルミ材は鋼板に比べて加熱温度が低く、熱伝導率が高い。また鋼板程の急速冷却は必要ないため、金型内冷却を複雑にする必要はない。さらに、プレス加工時の荷重も比較的低いため少量、中量生産であればZAS金型・アルミ金型の使用も可能である。

加熱設備と潤滑剤

加熱設備としては雰囲気炉、接触式ヒーター加熱炉、高周波加熱炉などがあり、製品サイズおよび生産量に応じて選定される。アルミ材の場合には特性の関係で鋼板に比べて加熱されやすく、生産性向上に優れる。一方、材料組織の変化で成形性が影響される場合があり、加熱速度の適正化は重要である。さらに、加熱板のプレスへの搬送では疵防止、冷え防止も必要となる。

プレス加工時の潤滑剤は鋼板とアルミ材で異なる。鋼板のホットスタンプ加工では高温からの急速冷却(相変態)が重要であるため、プレス下死点保持で注水冷却が必要となる。現状、高温に耐える潤滑剤は見当たらない。一方、アルミ材では鋼板程の急速冷却は必要なく、冷却金型を使用していれば金型温度も100℃前後以下になるため、潤滑剤の使用が可能である。例えば水溶性の潤滑剤であり、事前塗布は金型冷却にも有効である。

プレス機の小型化が可能

プレス機械(ホットスタンプ用)としては、下死点時の冷却保持を必要とするため、基本的には油圧プレスおよびサーボプレスが望ましい。その中でアルミ合金(6000系)の場合、ホットスタンプ加工時の荷重(変形応力)は1/4程度であり、プレスの小型化が可能である。

加えて、アルミ加工品は製品形状・金型冷却・潤滑剤の条件を上手く組み合わせると冷却が早くなり、もしプレス加工の下死点で保持時間ゼロに近づけられれば、メカプレス活用にもつながっていく。

エイチワンと協業で事例 カーボンニュートラルへの貢献も

最後に、アルミ材は鋼板に比べて成形性に劣るイメージが強い。しかし、ホットスタンプ技術を活用することにより、アルミ材の成形性は冷延鋼板と同等以上に向上し、強度特性および形状凍結性にも優れる。同技術で協業中のエイチワン殿で成形された6000系アルミ合金板のホットスタンプ加工品例を写真1に示す。 また、ホットスタンプ加工後を想定した強度特性(ベーキング前後)を表1に示す。プレス試験ではZAS金型および水溶性潤滑剤を使用しており、プレス加工後にレーザーでトリムおよびピアス加工が施されている。

なお、この技術をアルミ鋳物材に適用できれば、アルミ新地金を殆ど使用せずにアルミプレス製品にすることが可能で、カーボンニュートラルに近づく技術となる。

日立ハイテク

  • Lumada事業開発センター
  • アルミホットスタンプ事業アドバイザー
  • 稲葉  隆氏

記者の目

マルチマテリアル化で、期待される材料の一つがアルミ合金だが、アルミプレスは成形性の悪さが課題となっている。今回の技術を使えば、その問題を解決できる可能性がある。また鋳物を再利用できれば、新地金を使う必要がないという。リサイクル性が高まれば、環境面からもアルミの優位性が高まりそうだ。(山)

金型新聞 2022年6月9日

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