金属構造コンポーネントの製造方法および製造装置
【課題】金属構造コンポーネントの構造の局部的調節を可能にし、同時に安価かつ簡単に実施できる金属構造コンポーネントの製造方法および製造装置を提供することにある。
【解決手段】金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が熱間成形されかつ工具表面（１４）との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材の少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法において、熱伝導率が互いに異なる鋼部材の部分領域に対応する工具表面（１４）のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）により、互いに異なる冷却速度が発生されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。また本発明は、このような金属構造部品を製造する他の方法、工具およびバッチ炉に関する。
【解決手段】金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が熱間成形されかつ工具表面（１４）との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材の少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法において、熱伝導率が互いに異なる鋼部材の部分領域に対応する工具表面（１４）のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）により、互いに異なる冷却速度が発生されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。また本発明は、このような金属構造部品を製造する他の方法、工具およびバッチ炉に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材が熱間成形されかつ工具表面との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材の少なくとも２つの部分領域を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法に関する。また本発明は、このような金属構造部品を製造する工具およびバッチ炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間成形金属構造部品が、自動車産業、特に、高い横方向応力を受けるボディ構造のクラッシュ関連領域に広く使用されている。したがって、ＢピラーおよびＢピラー補強体が、高強度熱間成形マンガン−ホウ素鋼で頻繁に作られている。構造コンポーネントの高引っ張り抵抗および引っ張り強度は、このような材料を熱間成形法で加工することにより達成でき、したがって、慣用的に作られる鋼構造コンポーネンツと比較して、必要な金属薄板厚さをかなり低減でき、この方法で軽量構造したがってＣＯ２低減への寄与が達成される。完全に熱間成形された金属構造コンポーネンツの欠点は、熱間成形金属構造コンポーネントの破断伸びが比較的小さいことである。したがって、熱間成形金属構造コンポーネンツは横方向応力を受ける領域に成功裏に使用できる。なぜならば、この領域では、高強度特に降伏強度が高いことが金属構造コンポーネンツの座屈を防止するからである。しかしながら、例えば長手方向部材のように長手方向の応力を受ける金属構造コンポーネンツの場合には、熱間成形構造コンポーネンツは使用できない。なぜならば、破断伸びが小さいために金属構造コンポーネンツが均一に曲がらず、エネルギ吸収が比較的小さいために材料が破断する虞れがあるからである。
【０００３】
下記特許文献１では、シートバーが、連続炉（straight-flow furnace, Durchlaufofen（英、独訳））内での条件を変えて加熱され、このため、異なる材料温度により、金属構造コンポーネントの異なる強度が成形後に得られる。この方法では、シートバーは、２つの炉チャンバを通るときに別様に焼戻され、したがって、硬化加工において異なる構造領域が確立される。この方法は、破断強度および破断伸びに関して金属構造コンポーネントに達成される異なるゾーンは２〜３に過ぎないという欠点を有している。また、これらのゾーンは、シートバーの流通方向にのみ形成される。鋼部材またはシートバーの流通方向は、一般に、鋼部材またはシートバーの長手方向寸法に一致する。
【０００４】
下記特許文献２には、長手方向の応力を受ける領域にも熱間成形金属構造コンポーネンツを用いることを目的とした、高強度および超強度鋼のシートバーを形成する装置および方法が開示されている。この方法は、熱間成形用成形工具が焼戻し手段を有し、この焼戻し手段によって、鋼部材が、所定の異なる温度値への成形中に異なる温度に焼戻される。この方法により、金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に局部的に影響を与えることができ、これにより、位置依存材料特性（location-dependent material properties, ortsabhaengigen Materialeigenschaften（英、独訳））を有する金属構造コンポーネンツが作られる。位置依存材料特性とは、材料特性が、金属構造コンポーネントの少なくとも２つの領域で異なることを意味するものと理解すべきである。材料の異なる冷却速度により、異なる形式の構造が達成される。しかしながら、焼戻し手段を備えた成形工具は比較的複雑であり、したがって高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公告第１０２ ５６ ６２１（Ｂ３）号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１９ ３９５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、金属構造コンポーネントの構造の局部的調節を可能にし、同時に安価かつ簡単に実施できる金属構造コンポーネントの製造方法および製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項１に記載の方法における本発明の第１教示、すなわち熱伝導率が互いに異なる鋼部材の部分領域に対応する工具表面のセクションにより、互いに異なる冷却速度が発生されるとした構成により達成される。
【０００８】
成形工具内の鋼部材の冷却は、成形工具の表面の熱伝導率により大きい影響を受けると考えられている。この点に関する熱伝導率とは、より詳しくは熱伝導係数を意味すると考えられている。
【０００９】
隣接表面の熱伝導率が高いと鋼部材の急速冷却が生じ、一方、隣接表面の熱伝導率が低いと鋼部材はよりゆっくりと冷却する。工具表面の熱伝導率を利用して冷却速度を調節することにより、焼戻し要素すなわち加熱要素または冷却要素を減少でき、したがってコストを節約できる。また、焼戻し要素の不均一配置または必要な制御を行わなくてよい。これによりコストも低減できる。
【００１０】
異なる冷却速度により、鋼部材および製造される金属構造コンポーネントには、異なる
形式の構造が形成される。金属構造コンポーネントの部分領域の冷却速度が２７Ｋ／秒より大きいと、高強度および小さい破断伸びを有する主としてマルテンサイト構造となる。冷却速度が低いと、中位の強度および中位の破断伸びを有するフェライト−ベイナイト構造、低い強度および大きい破断伸びを有するフェライト−パーライト構造またはこれらの両構造の混合構造が形成される。フェライト−ベイナイト構造およびフェライト−パーライト構造は、８６０ＭＰａより小さい引っ張り強度を有する。
【００１１】
本発明による方法の好ましい実施形態では、工具は、異なる熱伝導率を有する異なる材料の工具表面の少なくとも２つのセクションの領域からなる。異なる材料を適当に選択することにより、簡単に工具表面の熱伝導率に影響を与えることができる。より詳しくは、この方法により、大きく異なる熱伝導率をもつ隣接セクションを形成できる。
【００１２】
セクションの数は一般に２つに限定されるものではなく、任意に大きくすることができる。好ましくは少なくとも３つのセクションが設けられ、これにより、金属構造コンポーネントに、異なる形式の構造および強度をもつ３つの部分領域、すなわち主としてマルテンサイト構造をもつ少なくとも１つの部分領域および主としてフェライト−ベイナイト構造および／またはフェライト−パーライト構造をもつ少なくとも２つの他の部分領域が形成される。
【００１３】
セクションが鋼、鋼合金および／またはセラミックからなる他の好ましい例示実施形態では、工具に使用する場合に、同時に充分な安定性が得られる特に好ましい熱伝導率が得られる。
【００１４】
本発明による方法の他の好ましい例示実施形態では、工具表面の２つのセクションのうちの少なくとも一方が、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティングを有している。これにより、工具表面の熱伝導が、表面コーティングにより変えられる。また、これにより、非常に複雑で局部的に変化する熱伝導率が得られ、かつ非常に複雑で局部的に変化する顕微鏡組織を有する金属構造コンポーネンツを製造できる。工具表面のコーティングを容易に交換および／または変更できる。かくして、コーティングを変更することにより、同一工具で、異なる顕微鏡組織をもつ金属構造コンポーネンツを製造できる。
【００１５】
本発明の第２教示によれば、上記目的は、金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材が加熱され、加熱された鋼部材は、工具内での冷却により少なくとも部分的に硬化され、硬化後の鋼部材は、異なる顕微鏡組織を有する少なくとも２つの部分領域を有する方法において、鋼部材は、硬化前に、異なる温度を有する少なくとも２つの領域を備えたバッチ炉内で焼戻されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法により達成される。
【００１６】
バッチ炉とは、加熱すべき鋼部材が加熱中に実質的に移動されない炉を意味するものと理解されよう。したがって、バッチ炉は、鋼部材が、加熱中に、炉を通って連続的に移動される連続炉とは異なっている。
【００１７】
鋼部材が、バッチ炉内での硬化前に異なる温度で局部的に焼戻されるならば、製造すべき金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に簡単に影響を与えることができると考えられている。この結果生じる硬化工具の表面の局部的に変化する温度差により、異なる冷却速度が生じ、したがって、鋼部材および金属構造コンポーネントに異なる形式の顕微鏡組織が形成される。また、オーステナイト化温度より低い局部的温度および硬化工具内でのその後の冷却により、フェライト−パーライト構造が特別に形成される。
【００１８】
本発明の方法は、硬化前の鋼部材の温度が、非常に局部的にかついかなる方向的制限もなくして調節できる点で、従来技術から知られた方法と比較して長所を有している。より詳しくは、本発明の方法によれば、互いに異なる温度を有する多数の異なるセクションが得られる。また、不均一に配置されまたは制御可能な焼戻し手段を備えたより複雑で高価な成形工具を使用しないで済む。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、本発明の第１教示による方法が付加的に遂行される。本発明の第１教示と第２教示との組合せにより、金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に与える効果が強化され、これにより、例えば、金属構造コンポーネントの隣接する部分領域に、大きく異なる顕微鏡組織を作ることができる。バッチ炉の領域の配置は、工具表面のセクションの配置に一致することが好ましい。しかしながら、互いに異なる配置を考えることができる。
【００２０】
好ましい実施形態では、鋼部材が、バッチ炉内で焼戻される前に、第２炉、より詳しくは連続炉内で加熱されると、鋼部材のより効率的な加熱および焼戻しが達成される。この第２炉内では、好ましくはオーステナイト化温度またはＡｃ３温度またはこれより高い温度領域の温度まで特に均一な加熱が行われる。バッチ炉内の焼戻しでは、次に、鋼部材の部分領域が、次の効果加工での目標温度まで加熱または冷却される。この点に関し、特に好ましくは、鋼構造コンポーネントの早期硬化が未だ行われないようにして冷却が行われる。第２炉は、特に、連続炉の形態にすることができる。この方法により、バッチ炉用の金属構造コンポーネントの迅速かつ連続的な用意が可能になる。
【００２１】
本発明の他の好ましい実施形態では、鋼部材がプレス工具内で硬化される。この方法では、鋼部材の優れた硬化および次の焼戻しが達成される。鋼部材の硬化は、異なって焼戻された部分領域が、鋼部材の熱伝導により均等化されるのを回避するため、バッチ炉内での焼戻しの直後に行われるのが好ましい。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、バッチ炉が、温度勾配を有する少なくとも１つの領域を有する場合には、金属構造コンポーネントの材料特性の連続プロファイルが達成される。
【００２３】
本発明の方法の好ましい実施形態では、鋼部材は、調節可能なガスノズルにより、より詳しくは窒素により、バッチ炉の少なくとも１つの部分領域内で冷却される。
【００２４】
ガスノズルによる冷却により、一領域とは異なる温度を有する領域がバッチ炉内で非常に簡単な方法で実現される。より詳しくは、加熱要素の数を減少できる。また、ガスノズルを制御できるため、バッチ炉内のフレキシブルな温度調節が可能になる。したがって、調節装置により、金属構造コンポーネントの異なる形式の異なる領域を形成できる。調節可能なガスノズルは、制御可能な加熱要素に代えて使用でき、またはこれらの加熱要素と組み合わせて使用できる。窒素は安価でありかつ不活性であるため、好ましい冷却ガスとして使用できる。
【００２５】
下記例示実施形態は、本発明の第１教示および第２教示に使用できる。
【００２６】
本発明による方法の好ましい実施形態では、鋼部材は、直接的または間接的に熱間成形および／またはプレス硬化される。したがってこの方法では、製造方法の実施において高度のフレキシビリティが可能である。間接的熱間成形法では、鋼部材は少なくとも２つの段階、好ましくは、最初に冷間成形し、次に熱間成形することにより形成される。他方、直接的熱間成形法では、単一熱間成形段階で行われる。間接的熱間成形法は、絞り深さが大きい場合に特に有利である。
【００２７】
他の実施形態では、部分領域間の少なくとも１つの境界が、金属構造コンポーネントの最大長手方向寸法に対して横方向または傾斜しておよび／または非リニアに形成されている場合には、金属構造コンポーネントの特にフレキシブルな形状を達成できる。したがって、この方法は、部分領域境界を互いに実質的に任意に調節することを可能にする。また、境界領域の遷移領域により、継手連結部より詳しくは溶接シームが損傷を受けるのを回避するため、部分領域間の境界は、鋼部材の継手領域の外側に配置するのが好ましい。
【００２８】
本発明による方法の他の実施形態では、鋼部材として、半成品、より詳しくは特別注文ブランク、特別注文溶接ブランク、パッチワークブランクまたは特別注文圧延ブランク、または所定サイズに切断されたシートバーが使用される。したがって、本発明は、位置依存材料特性を有する金属構造コンポーネントの製造での最大フレキシビリティを可能にする。特別注文ブランクとは、異なる材料品質および／またはシート厚さを有する金属シートバーを意味する。特別注文溶接ブランクでは、異なる金属シートバーが互いに溶接される。特別注文圧延ブランクは、フレキシブル圧延法により製造された異なるシート厚さを有している。パッチワークブランクは、パッチワークの態様で他のシートが接合されたシートバーからなる。好ましい実施形態では、マイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０と組合わされたＭＢＷ１５００、ＭＢＷ１７００またはＭＢＷ１９００のホウ酸マンガン鋼の鋼部材、および／またはマイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０の鋼部材が使用されるならば、金属構造コンポーネントの非常に優れた材料特性が達成される。
【００２９】
本発明の方法の他の好ましい実施形態では、鋼部材は、有機コーティング、より詳しくはラッカーコーティング、好ましくは溶剤ベースまたは水ベース１成分、２成分または多成分スケール保護コーティングを有している。これとは別にまたはこれに加えて、鋼部材には、無機コーティング、好ましくはアルミニウムベースまたはアルミニウム−シリコーンベースコーティング、より詳しくは溶融アルミニウムめっきコーティング（fal）および／または亜鉛ベースコーティングを設けることができる。この方法により、金属構造コンポーネントの表面が機能化され、材料特性を更にフレキシブルに一致させることができる。
【００３０】
上記技術的目的は、本発明の第３教示により、車両での、より詳しくはＡ、ＢまたはＣピラー、側壁、ルーフフレームまたは長手方向部材としての、前記方法の１つにより製造された金属構造部品を使用することにより達成される。金属構造コンポーネントのフレキシブルで局部的に調節可能な材料特性により、これらの金属構造コンポーネンツは、最適態様で、車両の応力より詳しくは衝突時の挙動を改善する最適態様でマッチングされる。
【００３１】
上記技術的目的は、本発明の第４教示、すなわち、鋼部材の熱間成形および硬化用工具、より詳しくは本発明による前述の方法の１つを実施する工具において、鋼部材と接触する工具表面が、熱伝導率が異なる複数のセクションからなる工具により達成される。
【００３２】
これらの異なるセクションにより、鋼部材の硬化において、異なる冷却速度が簡単な方法で達成され、これにより、製造された金属構造コンポーネントに異なる形式の構造が得られる。より詳しくは、焼戻し要素の数、例えば工具の加熱要素の数を減少できる。
【００３３】
工具の好ましい実施形態では、セクションが、異なる熱伝導率を有する異なる材料、より詳しくは鋼、鋼合金および／またはセラミックからなる場合には、熱伝導率の差異を達成できる。
【００３４】
他の好ましい実施形態では、鋼部材と接触する工具表面が、少なくとも部分的に、交換可能なセグメント上および／または工具の工具インサート上に配置される。この方法では、交換可能なセグメントまたは工具インサートを工具内にフレキシブルに配置および再配置でき、これにより、異なる構造配置したがって異なる特性を有する金属構造コンポーネンツを１つの工具で製造できる。
【００３５】
工具の他の実施形態において、セクションの少なくとも１つが、熱伝導率を低下または増大できる表面コーティングを有する場合には、異なる熱伝導率の簡単な実現を達成できる。より詳しくは、この方法により、熱伝導率の非常に局部的な変化を達成できる。また、表面コーティングは、必要に応じて除去および再塗布できる。
【００３６】
また、熱間成形法および／またはプレス硬化法、より詳しくは上記方法の１つを実施する、鋼部材を加熱するバッチ炉において、バッチ炉が少なくとも２つの領域を有し、該領域では互いに異なる温度が確立されるならば、上記技術的目的は、本発明の第５教示により達成される。
【００３７】
この方法では、鋼部材は異なる温度に焼戻され、これにより、次の硬化加工において、得られる金属構造コンポーネントに異なる形式の構造が作られる。
【００３８】
好ましい実施形態では、バッチ炉の少なくとも１つの領域が、冷却目的の制御可能なガスノズルを有している。これにより、フレキシブルで簡単な態様で、異なる温度を有する領域を実現できる。
【００３９】
本発明の他の特徴および長所は、添付図面を参照して述べる複数の例示実施形態の以下の説明において開示する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術による金属構造コンポーネントの製造工具を示すものである。
【図２】本発明による工具および方法の第１例示実施形態を示すものである。
【図３】本発明による工具および方法の他の２つの例示実施形態を示すものである。
【図４】本発明による工具および方法の第３例示実施形態を示すものである。
【図５】本発明によるバッチ炉および方法の例示実施形態を示すものである。
【図６】本発明によるバッチ炉および方法の他の例示実施形態を示すものである。
【図７】本発明による方法の他の例示実施形態を示すものである。
【図８】本発明の方法により製造された第１金属構造コンポーネントを示すものである。
【図９】本発明の方法により製造された第２金属構造コンポーネントを示すものである。
【図１０】本発明の方法により製造された第３金属構造コンポーネントを示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、従来技術により金属構造コンポーネントを製造する工具を示す長手方向断面図である。工具２は熱間成形工具として設計されており、下方パンチ４、上方パンチ６並びに２つのフランジカッタ８、１０を有している。下方パンチ４および上方パンチ６の互いに対面する表面１２、１４は、鋼部材１６から作られる金属構造コンポーネントの外形に一致するプロファイルを有している。また、上方パンチ６には焼戻し要素１８が設けられており、該焼戻し要素１８により、上方パンチ６の表面１４の領域の温度が調節される。下方パンチ４にも同様な焼戻し要素を設けることができる。互いに隣接する焼戻し要素１８間の距離は、互いに異なっており、この構成により表面１４が位置依存温度プロファイルを持つ。従来技術の製造方法では、シートバーの形態をなす鋼部材１６が、引き離された両パンチ４、６間に配置され、前記パンチ６が前記パンチ４上に下降される。このようにして、シートバーは同時に熱間成形され、位置依存冷却速度で冷却される。これにより、鋼部材に、対応する位置依存構造的変化が生じる。鋼部材１６のフランジ領域２０は、フランジカッタ８、１０を下降させることにより切断される。焼戻し要素１８の不均一配置により、工具２は複雑な構造になり、このため、多数の焼戻し要素１８が必要になる。
【００４２】
図２は、本発明による工具および方法の第１例示実施形態を示す長手方向断面図である。図１および以下の図面に示す対応部品と同じ部品には、同じ参照番号が付与されている。工具３０は、下方パンチ４が、異なる熱伝導率を有する異なる材料からなる異なるセクション３２、３４、３６、３８を有している点で図１に示した工具２とは異なっている。好ましくは鋼、合金鋼、および／またはセラミックが材料として使用される。この代わりにまたはこれに加えて、上方パンチ６も異なる材料からなる複数のセクションで構成できる。これらのセクションは、表面１２、１４の領域のみを異なる材料で構成することもできる。個々のセクション３２、３４、３６、３８の異なる熱伝導率により、鋼部材１６の熱間成形時および硬化時に異なる冷却速度が生じ、これにより、鋼部材１６内に異なる顕微鏡組織が形成される。
【００４３】
図３ａおよび図３ｂは、本発明による工具および方法の他の２つの例示実施形態を示す長手方向断面図である。これらの図面の各場合には、例えば図２に示した工具とは別の下方パンチが示されている。図３ａの下方パンチ５０は複数の別々のセグメント５２ａ〜５２ｐからなり、これらのセグメントは、異なる熱伝導率を有する異なる材料で構成できる。かくして、パンチ５０の全表面５４は位置依存熱伝導率を有し、このため、このパンチ５０を含む工具を用いた熱間成形・硬化法では、鋼部材に異なる冷却速度が達成される。幾つかのセグメントまたは全てのセグメント５２ａ〜５２ｐは、基本的に交換できまたは所望に応じて入れ替えることができる。かくして、図３ｂに示す本発明の工具の例示実施形態の下方パンチ５６では、セグメント５２ｆ、５２ｊが、異なる材料の他のセグメント５２ｑ、５２ｒにより置換されている。また、セグメント５２ｄ、５２ｅ並びにセグメント５２ｇ、５２ｈは、これらの位置が入れ替えられている。入手できるセグメントおよび材料の数に基づいて、熱伝導率が異なる下方パンチ５０、５６の表面５４のセクションをフレキシブルな態様でマッチングさせることができる。もちろん、上方パンチまたは両パンチを別のセグメントでも構成できる。
【００４４】
図４は、本発明による工具および方法の他の例示実施形態を示す長手方向断面図である。工具６４では、下方パンチ４の表面１４はセクション６６、６８、７０、７２を有し、これらのうちセクション６６、７０、７２は表面コーティング７４、７６、７８によりコーティングされている。表面コーティング７４、７６、７８は、それぞれのセクションの表面１４の熱伝導率を低下または増大させる。非コーティングセクション６８では、熱伝導率は、パンチ材料の熱伝導率と同じである。表面コーティングは、例えばラッカー、より詳しくは耐熱ラッカー、好ましくは高耐熱ラッカーである。工具６４を使用する金属構造コンポーネントの製造では、異なるコーティングが鋼部材１６に異なる冷却速度を生じさせ、この結果、表面構造が位置依存態様で変えられる。表面コーティングは除去できることが好ましく、必要に応じてフレキシブルに適用される。
【００４５】
図５は、本発明によるバッチ炉および方法の例示実施形態を示す平面図である。バッチ炉９０は、温度が異なる３つの領域９２、９４、９６を有している。かくして、例えば領域９６の温度はオーステナイト化温度より高くすることができ、一方、領域９４の温度はオーステナイト化温度より低い。領域９２は矢印９８で示す温度勾配を有し、換言すれば、温度は、領域９２の左側１００から右側１０２に向かって上昇する。バッチ炉９０内の位置依存温度により、シートバーとして形成されかつバッチ炉９０内に配置された鋼部材１０４は、異なる温度に局部的に加熱または冷却される。この後、シートバーは、バッチ炉から硬化工具、より詳しくはプレス工具に向かって矢印１０６の方向に搬送される。このとき、シートバーは、局部的に異なる温度により、成形時および硬化時に構造的遷移を受け、これにより、位置依存顕微鏡組織を有する金属構造コンポーネント、したがって位置依存特性が作られる。
【００４６】
図６は、本発明によるバッチ炉および方法の他の例示実施形態を示す長手方向断面図である。バッチ炉１１４は加熱要素１１６、１１８を有し、該加熱要素により、バッチ炉１１４内に配置されたシートバー１２０が加熱される。シートバー１２０はローラ１２２上に置かれ、該ローラにより、矢印１２３の方向にバッチ炉１１４に向かって供給されかつバッチ炉１１４から取出される。加熱要素１１６にはガスノズル１２４が設けられており、該ガスノズル１２４には、ライン１２６を通してガス、より詳しくは窒素が供給される。ガスノズル１２４は制御手段１２８を有し、該制御手段１２８により、ガスノズル１２４を通って流れるガスの量が調節される。このようにして、バッチ炉１１４のこの領域内には有効な低温が確立され、ガスノズル１２４の領域内のシートバーを冷却できる。ガスノズル１２４は個々にまたは群で制御され、これにより、異なる温度をもつ領域および／または領域の配置の温度プロファイルをフレキシブルに選択できる。
【００４７】
図７は、本発明による方法の他の例示実施形態をフローチャートの形態で示すものである。この方法１３４では、第１段階１３６で、鋼部材が、炉内でオーステナイト化温度の領域内の温度まで加熱される。次に第２段階１３８では、鋼部材が、本発明によるバッチ炉内で焼戻され、これにより鋼部材は、異なる温度を有する部分領域をもつようになる。第３段階１４０（第３段階は、第２段階１３８の直後に行われるのが好ましい）では、鋼部材が、工具内で熱間成形および／またはプレス硬化される。熱間成形および／またはプレス硬化する工具は、本発明の第４教示による工具として設計するのが好ましい。第１段階１３６は任意であり、省略できる。
【００４８】
図８は、本発明の方法により製造された車両の一方の側壁の形態をなす金属構造コンポーネント１５０を示すものである。金属構造コンポーネント１５０は、該コンポーネント１５０の硬化時に、異なる温度進行（temperature progressions, Temperaturverlaeufe（英、独訳））に通される２つの部分領域１５２、１５４を有している。部分領域１５２は、オーステナイト化温度より高い温度から高い冷却速度で冷却された。したがって、部分領域１５２は主としてマルテンサイト構造を有し、このため高強度を有する。部分領域１５４は、低い冷却速度でおよび／またはオーステナイト化温度より低い温度から冷却される。したがって、部分領域１５４はフェライト−ベイナイト構造またはフェライト−パーライト構造を有し、このため高い破断伸びを有する。
【００４９】
図９に示されかつ本発明の方法により同様に製造された側壁の形態をなす金属構造コンポーネント１６０は、顕微鏡組織のより複雑な位置依存性を有し、したがって車両の荷重応力により良く適合できる。一方、部分領域１６２は主としてマルテンサイト構造を有し、特にＢピラー１６６の足を含む部分領域１６４もフェライト−パーライト構造を有し、したがってより高い破断伸びを有する。このことは、側方ポール試験での構造的および機械的応力のため、サイドスカート１６８の場合に必要であり、かつＩＩＨＳクラッシュで生じる大きい変形に耐えることができるようにするため、Ｂピラー１６６の足でも必要である。図示のＢピラー１６６は、所定形状に切断されかつ突合わせ接合されたマンガン−ホウ素鋼およびマイクロアロイ鋼からなる２つのシートバーから形成された特別注文ブランクで製造される。図８に示した側壁と比較して、図９に示す側壁はより複雑な部分領域配置でありかつこれに相応してより複雑な位置依存材料特性を有するため、車両に生じる応力に全体としてより良く適合する。このような金属構造コンポーネンツは、本発明の方法、工具およびバッチ炉により便利かつ簡単に製造できる。
【００５０】
図１０は、本発明により製造された第３金属構造コンポーネント１７０を示すものである。金属構造コンポーネント１７０は非リニア境界１７３を有し、該非リニア境界は、高強度の第１領域１７２を、低強度かつ高延性の第２領域１７１から分離している。本発明の分野における２つの領域間の非リニア境界は、一部が直線または少なくとも一部が曲線で形成され、したがって用途に特定された態様の境界プロファイルとすることができる。金属構造コンポーネント１７０は、異なる材料特性、例えば異なる強度および／または領域間の移行部を有する領域を本発明の方法により個々に調節できるという事実を示している。本発明による方法は、特に自動車構造用として、金属構造コンポーネンツの異なる顕微鏡組織の理想的で要求に応じたマッチングを行うことができる。
【符号の説明】
【００５１】
４ 下方パンチ
６ 上方パンチ
１６、１０４ 鋼部材
３０、６４ 工具
３２、３４、３６、３８ セクション
５２ａ〜５２ｒ セグメント
７４、７６、７８ 表面コーティング
９０ バッチ炉
９２、９４、９６ 領域
１１４ バッチ炉
１１６、１１８ 加熱要素
１２０ シートバー
１２４ ガスノズル
１２８ 制御手段
１５０、１６０、１７０ 金属構造コンポーネント
１７３ 非リニア境界
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材が熱間成形されかつ工具表面との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材の少なくとも２つの部分領域を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法に関する。また本発明は、このような金属構造部品を製造する工具およびバッチ炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間成形金属構造部品が、自動車産業、特に、高い横方向応力を受けるボディ構造のクラッシュ関連領域に広く使用されている。したがって、ＢピラーおよびＢピラー補強体が、高強度熱間成形マンガン−ホウ素鋼で頻繁に作られている。構造コンポーネントの高引っ張り抵抗および引っ張り強度は、このような材料を熱間成形法で加工することにより達成でき、したがって、慣用的に作られる鋼構造コンポーネンツと比較して、必要な金属薄板厚さをかなり低減でき、この方法で軽量構造したがってＣＯ２低減への寄与が達成される。完全に熱間成形された金属構造コンポーネンツの欠点は、熱間成形金属構造コンポーネントの破断伸びが比較的小さいことである。したがって、熱間成形金属構造コンポーネンツは横方向応力を受ける領域に成功裏に使用できる。なぜならば、この領域では、高強度特に降伏強度が高いことが金属構造コンポーネンツの座屈を防止するからである。しかしながら、例えば長手方向部材のように長手方向の応力を受ける金属構造コンポーネンツの場合には、熱間成形構造コンポーネンツは使用できない。なぜならば、破断伸びが小さいために金属構造コンポーネンツが均一に曲がらず、エネルギ吸収が比較的小さいために材料が破断する虞れがあるからである。
【０００３】
下記特許文献１では、シートバーが、連続炉（straight-flow furnace, Durchlaufofen（英、独訳））内での条件を変えて加熱され、このため、異なる材料温度により、金属構造コンポーネントの異なる強度が成形後に得られる。この方法では、シートバーは、２つの炉チャンバを通るときに別様に焼戻され、したがって、硬化加工において異なる構造領域が確立される。この方法は、破断強度および破断伸びに関して金属構造コンポーネントに達成される異なるゾーンは２〜３に過ぎないという欠点を有している。また、これらのゾーンは、シートバーの流通方向にのみ形成される。鋼部材またはシートバーの流通方向は、一般に、鋼部材またはシートバーの長手方向寸法に一致する。
【０００４】
下記特許文献２には、長手方向の応力を受ける領域にも熱間成形金属構造コンポーネンツを用いることを目的とした、高強度および超強度鋼のシートバーを形成する装置および方法が開示されている。この方法は、熱間成形用成形工具が焼戻し手段を有し、この焼戻し手段によって、鋼部材が、所定の異なる温度値への成形中に異なる温度に焼戻される。この方法により、金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に局部的に影響を与えることができ、これにより、位置依存材料特性（location-dependent material properties, ortsabhaengigen Materialeigenschaften（英、独訳））を有する金属構造コンポーネンツが作られる。位置依存材料特性とは、材料特性が、金属構造コンポーネントの少なくとも２つの領域で異なることを意味するものと理解すべきである。材料の異なる冷却速度により、異なる形式の構造が達成される。しかしながら、焼戻し手段を備えた成形工具は比較的複雑であり、したがって高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公告第１０２ ５６ ６２１（Ｂ３）号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１９ ３９５（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、金属構造コンポーネントの構造の局部的調節を可能にし、同時に安価かつ簡単に実施できる金属構造コンポーネントの製造方法および製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、請求項１に記載の方法における本発明の第１教示、すなわち熱伝導率が互いに異なる鋼部材の部分領域に対応する工具表面のセクションにより、互いに異なる冷却速度が発生されるとした構成により達成される。
【０００８】
成形工具内の鋼部材の冷却は、成形工具の表面の熱伝導率により大きい影響を受けると考えられている。この点に関する熱伝導率とは、より詳しくは熱伝導係数を意味すると考えられている。
【０００９】
隣接表面の熱伝導率が高いと鋼部材の急速冷却が生じ、一方、隣接表面の熱伝導率が低いと鋼部材はよりゆっくりと冷却する。工具表面の熱伝導率を利用して冷却速度を調節することにより、焼戻し要素すなわち加熱要素または冷却要素を減少でき、したがってコストを節約できる。また、焼戻し要素の不均一配置または必要な制御を行わなくてよい。これによりコストも低減できる。
【００１０】
異なる冷却速度により、鋼部材および製造される金属構造コンポーネントには、異なる
形式の構造が形成される。金属構造コンポーネントの部分領域の冷却速度が２７Ｋ／秒より大きいと、高強度および小さい破断伸びを有する主としてマルテンサイト構造となる。冷却速度が低いと、中位の強度および中位の破断伸びを有するフェライト−ベイナイト構造、低い強度および大きい破断伸びを有するフェライト−パーライト構造またはこれらの両構造の混合構造が形成される。フェライト−ベイナイト構造およびフェライト−パーライト構造は、８６０ＭＰａより小さい引っ張り強度を有する。
【００１１】
本発明による方法の好ましい実施形態では、工具は、異なる熱伝導率を有する異なる材料の工具表面の少なくとも２つのセクションの領域からなる。異なる材料を適当に選択することにより、簡単に工具表面の熱伝導率に影響を与えることができる。より詳しくは、この方法により、大きく異なる熱伝導率をもつ隣接セクションを形成できる。
【００１２】
セクションの数は一般に２つに限定されるものではなく、任意に大きくすることができる。好ましくは少なくとも３つのセクションが設けられ、これにより、金属構造コンポーネントに、異なる形式の構造および強度をもつ３つの部分領域、すなわち主としてマルテンサイト構造をもつ少なくとも１つの部分領域および主としてフェライト−ベイナイト構造および／またはフェライト−パーライト構造をもつ少なくとも２つの他の部分領域が形成される。
【００１３】
セクションが鋼、鋼合金および／またはセラミックからなる他の好ましい例示実施形態では、工具に使用する場合に、同時に充分な安定性が得られる特に好ましい熱伝導率が得られる。
【００１４】
本発明による方法の他の好ましい例示実施形態では、工具表面の２つのセクションのうちの少なくとも一方が、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティングを有している。これにより、工具表面の熱伝導が、表面コーティングにより変えられる。また、これにより、非常に複雑で局部的に変化する熱伝導率が得られ、かつ非常に複雑で局部的に変化する顕微鏡組織を有する金属構造コンポーネンツを製造できる。工具表面のコーティングを容易に交換および／または変更できる。かくして、コーティングを変更することにより、同一工具で、異なる顕微鏡組織をもつ金属構造コンポーネンツを製造できる。
【００１５】
本発明の第２教示によれば、上記目的は、金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材が加熱され、加熱された鋼部材は、工具内での冷却により少なくとも部分的に硬化され、硬化後の鋼部材は、異なる顕微鏡組織を有する少なくとも２つの部分領域を有する方法において、鋼部材は、硬化前に、異なる温度を有する少なくとも２つの領域を備えたバッチ炉内で焼戻されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法により達成される。
【００１６】
バッチ炉とは、加熱すべき鋼部材が加熱中に実質的に移動されない炉を意味するものと理解されよう。したがって、バッチ炉は、鋼部材が、加熱中に、炉を通って連続的に移動される連続炉とは異なっている。
【００１７】
鋼部材が、バッチ炉内での硬化前に異なる温度で局部的に焼戻されるならば、製造すべき金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に簡単に影響を与えることができると考えられている。この結果生じる硬化工具の表面の局部的に変化する温度差により、異なる冷却速度が生じ、したがって、鋼部材および金属構造コンポーネントに異なる形式の顕微鏡組織が形成される。また、オーステナイト化温度より低い局部的温度および硬化工具内でのその後の冷却により、フェライト−パーライト構造が特別に形成される。
【００１８】
本発明の方法は、硬化前の鋼部材の温度が、非常に局部的にかついかなる方向的制限もなくして調節できる点で、従来技術から知られた方法と比較して長所を有している。より詳しくは、本発明の方法によれば、互いに異なる温度を有する多数の異なるセクションが得られる。また、不均一に配置されまたは制御可能な焼戻し手段を備えたより複雑で高価な成形工具を使用しないで済む。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、本発明の第１教示による方法が付加的に遂行される。本発明の第１教示と第２教示との組合せにより、金属構造コンポーネントの顕微鏡組織に与える効果が強化され、これにより、例えば、金属構造コンポーネントの隣接する部分領域に、大きく異なる顕微鏡組織を作ることができる。バッチ炉の領域の配置は、工具表面のセクションの配置に一致することが好ましい。しかしながら、互いに異なる配置を考えることができる。
【００２０】
好ましい実施形態では、鋼部材が、バッチ炉内で焼戻される前に、第２炉、より詳しくは連続炉内で加熱されると、鋼部材のより効率的な加熱および焼戻しが達成される。この第２炉内では、好ましくはオーステナイト化温度またはＡｃ３温度またはこれより高い温度領域の温度まで特に均一な加熱が行われる。バッチ炉内の焼戻しでは、次に、鋼部材の部分領域が、次の効果加工での目標温度まで加熱または冷却される。この点に関し、特に好ましくは、鋼構造コンポーネントの早期硬化が未だ行われないようにして冷却が行われる。第２炉は、特に、連続炉の形態にすることができる。この方法により、バッチ炉用の金属構造コンポーネントの迅速かつ連続的な用意が可能になる。
【００２１】
本発明の他の好ましい実施形態では、鋼部材がプレス工具内で硬化される。この方法では、鋼部材の優れた硬化および次の焼戻しが達成される。鋼部材の硬化は、異なって焼戻された部分領域が、鋼部材の熱伝導により均等化されるのを回避するため、バッチ炉内での焼戻しの直後に行われるのが好ましい。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、バッチ炉が、温度勾配を有する少なくとも１つの領域を有する場合には、金属構造コンポーネントの材料特性の連続プロファイルが達成される。
【００２３】
本発明の方法の好ましい実施形態では、鋼部材は、調節可能なガスノズルにより、より詳しくは窒素により、バッチ炉の少なくとも１つの部分領域内で冷却される。
【００２４】
ガスノズルによる冷却により、一領域とは異なる温度を有する領域がバッチ炉内で非常に簡単な方法で実現される。より詳しくは、加熱要素の数を減少できる。また、ガスノズルを制御できるため、バッチ炉内のフレキシブルな温度調節が可能になる。したがって、調節装置により、金属構造コンポーネントの異なる形式の異なる領域を形成できる。調節可能なガスノズルは、制御可能な加熱要素に代えて使用でき、またはこれらの加熱要素と組み合わせて使用できる。窒素は安価でありかつ不活性であるため、好ましい冷却ガスとして使用できる。
【００２５】
下記例示実施形態は、本発明の第１教示および第２教示に使用できる。
【００２６】
本発明による方法の好ましい実施形態では、鋼部材は、直接的または間接的に熱間成形および／またはプレス硬化される。したがってこの方法では、製造方法の実施において高度のフレキシビリティが可能である。間接的熱間成形法では、鋼部材は少なくとも２つの段階、好ましくは、最初に冷間成形し、次に熱間成形することにより形成される。他方、直接的熱間成形法では、単一熱間成形段階で行われる。間接的熱間成形法は、絞り深さが大きい場合に特に有利である。
【００２７】
他の実施形態では、部分領域間の少なくとも１つの境界が、金属構造コンポーネントの最大長手方向寸法に対して横方向または傾斜しておよび／または非リニアに形成されている場合には、金属構造コンポーネントの特にフレキシブルな形状を達成できる。したがって、この方法は、部分領域境界を互いに実質的に任意に調節することを可能にする。また、境界領域の遷移領域により、継手連結部より詳しくは溶接シームが損傷を受けるのを回避するため、部分領域間の境界は、鋼部材の継手領域の外側に配置するのが好ましい。
【００２８】
本発明による方法の他の実施形態では、鋼部材として、半成品、より詳しくは特別注文ブランク、特別注文溶接ブランク、パッチワークブランクまたは特別注文圧延ブランク、または所定サイズに切断されたシートバーが使用される。したがって、本発明は、位置依存材料特性を有する金属構造コンポーネントの製造での最大フレキシビリティを可能にする。特別注文ブランクとは、異なる材料品質および／またはシート厚さを有する金属シートバーを意味する。特別注文溶接ブランクでは、異なる金属シートバーが互いに溶接される。特別注文圧延ブランクは、フレキシブル圧延法により製造された異なるシート厚さを有している。パッチワークブランクは、パッチワークの態様で他のシートが接合されたシートバーからなる。好ましい実施形態では、マイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０と組合わされたＭＢＷ１５００、ＭＢＷ１７００またはＭＢＷ１９００のホウ酸マンガン鋼の鋼部材、および／またはマイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０の鋼部材が使用されるならば、金属構造コンポーネントの非常に優れた材料特性が達成される。
【００２９】
本発明の方法の他の好ましい実施形態では、鋼部材は、有機コーティング、より詳しくはラッカーコーティング、好ましくは溶剤ベースまたは水ベース１成分、２成分または多成分スケール保護コーティングを有している。これとは別にまたはこれに加えて、鋼部材には、無機コーティング、好ましくはアルミニウムベースまたはアルミニウム−シリコーンベースコーティング、より詳しくは溶融アルミニウムめっきコーティング（fal）および／または亜鉛ベースコーティングを設けることができる。この方法により、金属構造コンポーネントの表面が機能化され、材料特性を更にフレキシブルに一致させることができる。
【００３０】
上記技術的目的は、本発明の第３教示により、車両での、より詳しくはＡ、ＢまたはＣピラー、側壁、ルーフフレームまたは長手方向部材としての、前記方法の１つにより製造された金属構造部品を使用することにより達成される。金属構造コンポーネントのフレキシブルで局部的に調節可能な材料特性により、これらの金属構造コンポーネンツは、最適態様で、車両の応力より詳しくは衝突時の挙動を改善する最適態様でマッチングされる。
【００３１】
上記技術的目的は、本発明の第４教示、すなわち、鋼部材の熱間成形および硬化用工具、より詳しくは本発明による前述の方法の１つを実施する工具において、鋼部材と接触する工具表面が、熱伝導率が異なる複数のセクションからなる工具により達成される。
【００３２】
これらの異なるセクションにより、鋼部材の硬化において、異なる冷却速度が簡単な方法で達成され、これにより、製造された金属構造コンポーネントに異なる形式の構造が得られる。より詳しくは、焼戻し要素の数、例えば工具の加熱要素の数を減少できる。
【００３３】
工具の好ましい実施形態では、セクションが、異なる熱伝導率を有する異なる材料、より詳しくは鋼、鋼合金および／またはセラミックからなる場合には、熱伝導率の差異を達成できる。
【００３４】
他の好ましい実施形態では、鋼部材と接触する工具表面が、少なくとも部分的に、交換可能なセグメント上および／または工具の工具インサート上に配置される。この方法では、交換可能なセグメントまたは工具インサートを工具内にフレキシブルに配置および再配置でき、これにより、異なる構造配置したがって異なる特性を有する金属構造コンポーネンツを１つの工具で製造できる。
【００３５】
工具の他の実施形態において、セクションの少なくとも１つが、熱伝導率を低下または増大できる表面コーティングを有する場合には、異なる熱伝導率の簡単な実現を達成できる。より詳しくは、この方法により、熱伝導率の非常に局部的な変化を達成できる。また、表面コーティングは、必要に応じて除去および再塗布できる。
【００３６】
また、熱間成形法および／またはプレス硬化法、より詳しくは上記方法の１つを実施する、鋼部材を加熱するバッチ炉において、バッチ炉が少なくとも２つの領域を有し、該領域では互いに異なる温度が確立されるならば、上記技術的目的は、本発明の第５教示により達成される。
【００３７】
この方法では、鋼部材は異なる温度に焼戻され、これにより、次の硬化加工において、得られる金属構造コンポーネントに異なる形式の構造が作られる。
【００３８】
好ましい実施形態では、バッチ炉の少なくとも１つの領域が、冷却目的の制御可能なガスノズルを有している。これにより、フレキシブルで簡単な態様で、異なる温度を有する領域を実現できる。
【００３９】
本発明の他の特徴および長所は、添付図面を参照して述べる複数の例示実施形態の以下の説明において開示する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来技術による金属構造コンポーネントの製造工具を示すものである。
【図２】本発明による工具および方法の第１例示実施形態を示すものである。
【図３】本発明による工具および方法の他の２つの例示実施形態を示すものである。
【図４】本発明による工具および方法の第３例示実施形態を示すものである。
【図５】本発明によるバッチ炉および方法の例示実施形態を示すものである。
【図６】本発明によるバッチ炉および方法の他の例示実施形態を示すものである。
【図７】本発明による方法の他の例示実施形態を示すものである。
【図８】本発明の方法により製造された第１金属構造コンポーネントを示すものである。
【図９】本発明の方法により製造された第２金属構造コンポーネントを示すものである。
【図１０】本発明の方法により製造された第３金属構造コンポーネントを示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、従来技術により金属構造コンポーネントを製造する工具を示す長手方向断面図である。工具２は熱間成形工具として設計されており、下方パンチ４、上方パンチ６並びに２つのフランジカッタ８、１０を有している。下方パンチ４および上方パンチ６の互いに対面する表面１２、１４は、鋼部材１６から作られる金属構造コンポーネントの外形に一致するプロファイルを有している。また、上方パンチ６には焼戻し要素１８が設けられており、該焼戻し要素１８により、上方パンチ６の表面１４の領域の温度が調節される。下方パンチ４にも同様な焼戻し要素を設けることができる。互いに隣接する焼戻し要素１８間の距離は、互いに異なっており、この構成により表面１４が位置依存温度プロファイルを持つ。従来技術の製造方法では、シートバーの形態をなす鋼部材１６が、引き離された両パンチ４、６間に配置され、前記パンチ６が前記パンチ４上に下降される。このようにして、シートバーは同時に熱間成形され、位置依存冷却速度で冷却される。これにより、鋼部材に、対応する位置依存構造的変化が生じる。鋼部材１６のフランジ領域２０は、フランジカッタ８、１０を下降させることにより切断される。焼戻し要素１８の不均一配置により、工具２は複雑な構造になり、このため、多数の焼戻し要素１８が必要になる。
【００４２】
図２は、本発明による工具および方法の第１例示実施形態を示す長手方向断面図である。図１および以下の図面に示す対応部品と同じ部品には、同じ参照番号が付与されている。工具３０は、下方パンチ４が、異なる熱伝導率を有する異なる材料からなる異なるセクション３２、３４、３６、３８を有している点で図１に示した工具２とは異なっている。好ましくは鋼、合金鋼、および／またはセラミックが材料として使用される。この代わりにまたはこれに加えて、上方パンチ６も異なる材料からなる複数のセクションで構成できる。これらのセクションは、表面１２、１４の領域のみを異なる材料で構成することもできる。個々のセクション３２、３４、３６、３８の異なる熱伝導率により、鋼部材１６の熱間成形時および硬化時に異なる冷却速度が生じ、これにより、鋼部材１６内に異なる顕微鏡組織が形成される。
【００４３】
図３ａおよび図３ｂは、本発明による工具および方法の他の２つの例示実施形態を示す長手方向断面図である。これらの図面の各場合には、例えば図２に示した工具とは別の下方パンチが示されている。図３ａの下方パンチ５０は複数の別々のセグメント５２ａ〜５２ｐからなり、これらのセグメントは、異なる熱伝導率を有する異なる材料で構成できる。かくして、パンチ５０の全表面５４は位置依存熱伝導率を有し、このため、このパンチ５０を含む工具を用いた熱間成形・硬化法では、鋼部材に異なる冷却速度が達成される。幾つかのセグメントまたは全てのセグメント５２ａ〜５２ｐは、基本的に交換できまたは所望に応じて入れ替えることができる。かくして、図３ｂに示す本発明の工具の例示実施形態の下方パンチ５６では、セグメント５２ｆ、５２ｊが、異なる材料の他のセグメント５２ｑ、５２ｒにより置換されている。また、セグメント５２ｄ、５２ｅ並びにセグメント５２ｇ、５２ｈは、これらの位置が入れ替えられている。入手できるセグメントおよび材料の数に基づいて、熱伝導率が異なる下方パンチ５０、５６の表面５４のセクションをフレキシブルな態様でマッチングさせることができる。もちろん、上方パンチまたは両パンチを別のセグメントでも構成できる。
【００４４】
図４は、本発明による工具および方法の他の例示実施形態を示す長手方向断面図である。工具６４では、下方パンチ４の表面１４はセクション６６、６８、７０、７２を有し、これらのうちセクション６６、７０、７２は表面コーティング７４、７６、７８によりコーティングされている。表面コーティング７４、７６、７８は、それぞれのセクションの表面１４の熱伝導率を低下または増大させる。非コーティングセクション６８では、熱伝導率は、パンチ材料の熱伝導率と同じである。表面コーティングは、例えばラッカー、より詳しくは耐熱ラッカー、好ましくは高耐熱ラッカーである。工具６４を使用する金属構造コンポーネントの製造では、異なるコーティングが鋼部材１６に異なる冷却速度を生じさせ、この結果、表面構造が位置依存態様で変えられる。表面コーティングは除去できることが好ましく、必要に応じてフレキシブルに適用される。
【００４５】
図５は、本発明によるバッチ炉および方法の例示実施形態を示す平面図である。バッチ炉９０は、温度が異なる３つの領域９２、９４、９６を有している。かくして、例えば領域９６の温度はオーステナイト化温度より高くすることができ、一方、領域９４の温度はオーステナイト化温度より低い。領域９２は矢印９８で示す温度勾配を有し、換言すれば、温度は、領域９２の左側１００から右側１０２に向かって上昇する。バッチ炉９０内の位置依存温度により、シートバーとして形成されかつバッチ炉９０内に配置された鋼部材１０４は、異なる温度に局部的に加熱または冷却される。この後、シートバーは、バッチ炉から硬化工具、より詳しくはプレス工具に向かって矢印１０６の方向に搬送される。このとき、シートバーは、局部的に異なる温度により、成形時および硬化時に構造的遷移を受け、これにより、位置依存顕微鏡組織を有する金属構造コンポーネント、したがって位置依存特性が作られる。
【００４６】
図６は、本発明によるバッチ炉および方法の他の例示実施形態を示す長手方向断面図である。バッチ炉１１４は加熱要素１１６、１１８を有し、該加熱要素により、バッチ炉１１４内に配置されたシートバー１２０が加熱される。シートバー１２０はローラ１２２上に置かれ、該ローラにより、矢印１２３の方向にバッチ炉１１４に向かって供給されかつバッチ炉１１４から取出される。加熱要素１１６にはガスノズル１２４が設けられており、該ガスノズル１２４には、ライン１２６を通してガス、より詳しくは窒素が供給される。ガスノズル１２４は制御手段１２８を有し、該制御手段１２８により、ガスノズル１２４を通って流れるガスの量が調節される。このようにして、バッチ炉１１４のこの領域内には有効な低温が確立され、ガスノズル１２４の領域内のシートバーを冷却できる。ガスノズル１２４は個々にまたは群で制御され、これにより、異なる温度をもつ領域および／または領域の配置の温度プロファイルをフレキシブルに選択できる。
【００４７】
図７は、本発明による方法の他の例示実施形態をフローチャートの形態で示すものである。この方法１３４では、第１段階１３６で、鋼部材が、炉内でオーステナイト化温度の領域内の温度まで加熱される。次に第２段階１３８では、鋼部材が、本発明によるバッチ炉内で焼戻され、これにより鋼部材は、異なる温度を有する部分領域をもつようになる。第３段階１４０（第３段階は、第２段階１３８の直後に行われるのが好ましい）では、鋼部材が、工具内で熱間成形および／またはプレス硬化される。熱間成形および／またはプレス硬化する工具は、本発明の第４教示による工具として設計するのが好ましい。第１段階１３６は任意であり、省略できる。
【００４８】
図８は、本発明の方法により製造された車両の一方の側壁の形態をなす金属構造コンポーネント１５０を示すものである。金属構造コンポーネント１５０は、該コンポーネント１５０の硬化時に、異なる温度進行（temperature progressions, Temperaturverlaeufe（英、独訳））に通される２つの部分領域１５２、１５４を有している。部分領域１５２は、オーステナイト化温度より高い温度から高い冷却速度で冷却された。したがって、部分領域１５２は主としてマルテンサイト構造を有し、このため高強度を有する。部分領域１５４は、低い冷却速度でおよび／またはオーステナイト化温度より低い温度から冷却される。したがって、部分領域１５４はフェライト−ベイナイト構造またはフェライト−パーライト構造を有し、このため高い破断伸びを有する。
【００４９】
図９に示されかつ本発明の方法により同様に製造された側壁の形態をなす金属構造コンポーネント１６０は、顕微鏡組織のより複雑な位置依存性を有し、したがって車両の荷重応力により良く適合できる。一方、部分領域１６２は主としてマルテンサイト構造を有し、特にＢピラー１６６の足を含む部分領域１６４もフェライト−パーライト構造を有し、したがってより高い破断伸びを有する。このことは、側方ポール試験での構造的および機械的応力のため、サイドスカート１６８の場合に必要であり、かつＩＩＨＳクラッシュで生じる大きい変形に耐えることができるようにするため、Ｂピラー１６６の足でも必要である。図示のＢピラー１６６は、所定形状に切断されかつ突合わせ接合されたマンガン−ホウ素鋼およびマイクロアロイ鋼からなる２つのシートバーから形成された特別注文ブランクで製造される。図８に示した側壁と比較して、図９に示す側壁はより複雑な部分領域配置でありかつこれに相応してより複雑な位置依存材料特性を有するため、車両に生じる応力に全体としてより良く適合する。このような金属構造コンポーネンツは、本発明の方法、工具およびバッチ炉により便利かつ簡単に製造できる。
【００５０】
図１０は、本発明により製造された第３金属構造コンポーネント１７０を示すものである。金属構造コンポーネント１７０は非リニア境界１７３を有し、該非リニア境界は、高強度の第１領域１７２を、低強度かつ高延性の第２領域１７１から分離している。本発明の分野における２つの領域間の非リニア境界は、一部が直線または少なくとも一部が曲線で形成され、したがって用途に特定された態様の境界プロファイルとすることができる。金属構造コンポーネント１７０は、異なる材料特性、例えば異なる強度および／または領域間の移行部を有する領域を本発明の方法により個々に調節できるという事実を示している。本発明による方法は、特に自動車構造用として、金属構造コンポーネンツの異なる顕微鏡組織の理想的で要求に応じたマッチングを行うことができる。
【符号の説明】
【００５１】
４ 下方パンチ
６ 上方パンチ
１６、１０４ 鋼部材
３０、６４ 工具
３２、３４、３６、３８ セクション
５２ａ〜５２ｒ セグメント
７４、７６、７８ 表面コーティング
９０ バッチ炉
９２、９４、９６ 領域
１１４ バッチ炉
１１６、１１８ 加熱要素
１２０ シートバー
１２４ ガスノズル
１２８ 制御手段
１５０、１６０、１７０ 金属構造コンポーネント
１７３ 非リニア境界
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が熱間成形されかつ工具表面（１４）との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材（１６、１０４）の少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法において、熱伝導率が互いに異なる鋼部材（１６、１０４）の部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）に対応する工具表面（１４）のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）により、互いに異なる冷却速度が発生されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。
【請求項２】
前記工具表面（１４）の少なくとも２つのセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）の領域の工具（３０、６４）が、異なる熱伝導率を有する異なる材料からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）が、鋼、鋼合金および／またはセラミックからなることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記工具表面（１４）の２つのセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）のうちの少なくとも一方は、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティングを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が加熱され、加熱された鋼部材（１６、１０４）は、工具（２、３０、６４）内での冷却により少なくとも部分的に硬化され、硬化後の鋼部材（１６、１０４）は、異なる顕微鏡組織を有する少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を有する方法において、鋼部材（１６、１０４）は、硬化前に、異なる温度を有する少なくとも２つの領域（９２、９４、９６）を備えたバッチ炉（９０、１１４）内で焼戻されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法にしたがって実施されることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記鋼部材（１６、１０４）は、バッチ炉（９０、１１４）内での焼戻し前に、第２炉、より詳しくは連続炉内で加熱されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記鋼部材（１６、１０４）はプレス工具内で硬化されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記バッチ炉（９０、１１４）は、温度勾配を有する少なくとも１つの領域（９２）を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記鋼部材（１６、１０４）は、制御可能なガスノズル（１２４）により、より詳しくは窒素により、バッチ炉の少なくとも１つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）内で冷却されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記鋼部材（１６、１０４）は、直接的または間接的に熱間成形および／またはプレス硬化されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）間の少なくとも１つの境界が、鋼部材（１６、１０４）の最大長手方向寸法に対して横方向にまたは傾斜して形成されおよび／または非リニアな態様で形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記鋼部材（１６、１０４）として、半成品、より詳しくは特別注文ブランク、特別注文溶接ブランク、パッチワークブランクまたは特別注文圧延ブランク、または所定サイズに切断されたシートバーが使用されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
好ましくは、マイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０と組合わされたＭＢＷ１５００、ＭＢＷ１７００またはＭＢＷ１９００の鋼部材（１６、１０４）、および／またはマイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０の鋼部材が使用されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記鋼部材（１６、１０４）は、有機コーティング、より詳しくはアンチスケール保護コーティング、好ましくは溶剤ベースまたは水ベース１成分、２成分または多成分防アンチスケール保護コーティング、および／または無機コーティング、好ましくはアルミニウムベースまたはアルミニウム−シリコーンベースコーティング、より詳しくは溶融アルミニウムめっきコーティングおよび／または亜鉛ベースコーティングを有していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
車両での、より詳しくはＡ、ＢまたはＣピラー、側壁、ルーフフレームまたは長手方向部材としての、請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法により製造された金属構造部品の使用。
【請求項１７】
鋼部材の熱間成形および硬化するための、より詳しくは鋼部材（１６、１０４）と接触する工具表面（１４）が、熱伝導率が異なる複数のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）からなることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法を実施するための工具。
【請求項１８】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）のうちの少なくとも１つは、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティング（７４、７６、７８）を有していることを特徴とする請求項１７記載の工具。
【請求項１９】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）は、異なる熱伝導率を有する異なる材料、より詳しくは鋼、鋼合金および／またはセラミックからなることを特徴とする請求項１７または１８記載の工具。
【請求項２０】
前記鋼部材（１６、１０４）と接触する工具表面（１４）は、少なくとも部分的に、交換可能なセグメント（５２ａ〜５２ｒ）上および／または工具（２、３０、６４）の工具インサート上に配置されることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項記載の工具。
【請求項２１】
バッチ炉（９０、１１４）が少なくとも２つの領域（９２、９４、９６）を有し、該領域では互いに異なる温度が確立されることを特徴とする、熱間成形法および／またはプレス硬化法の鋼部材を加熱する、より詳しくは請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法を実施するバッチ炉。
【請求項２２】
前記バッチ炉（９０、１１４）の少なくとも１つの領域（９２、９４、９６）は、制御可能な冷却用、より詳しくは窒素用ガスノズル（１２４）を有していることを特徴とする請求項２１記載のバッチ炉。
【請求項１】
金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が熱間成形されかつ工具表面（１４）との接触により少なくとも数セクションに亘って硬化され、鋼部材（１６、１０４）の少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を、硬化中に、互いに異なる冷却速度で冷却し、これらの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）の顕微鏡組織が、硬化後に異なるものとなるようにする方法において、熱伝導率が互いに異なる鋼部材（１６、１０４）の部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）に対応する工具表面（１４）のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）により、互いに異なる冷却速度が発生されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。
【請求項２】
前記工具表面（１４）の少なくとも２つのセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）の領域の工具（３０、６４）が、異なる熱伝導率を有する異なる材料からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）が、鋼、鋼合金および／またはセラミックからなることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記工具表面（１４）の２つのセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）のうちの少なくとも一方は、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティングを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
金属構造コンポーネント、より詳しくは車両の構造コンポーネントを製造する方法であって、鋼部材（１６、１０４）が加熱され、加熱された鋼部材（１６、１０４）は、工具（２、３０、６４）内での冷却により少なくとも部分的に硬化され、硬化後の鋼部材（１６、１０４）は、異なる顕微鏡組織を有する少なくとも２つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）を有する方法において、鋼部材（１６、１０４）は、硬化前に、異なる温度を有する少なくとも２つの領域（９２、９４、９６）を備えたバッチ炉（９０、１１４）内で焼戻されることを特徴とする金属構造コンポーネントの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法にしたがって実施されることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記鋼部材（１６、１０４）は、バッチ炉（９０、１１４）内での焼戻し前に、第２炉、より詳しくは連続炉内で加熱されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記鋼部材（１６、１０４）はプレス工具内で硬化されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記バッチ炉（９０、１１４）は、温度勾配を有する少なくとも１つの領域（９２）を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記鋼部材（１６、１０４）は、制御可能なガスノズル（１２４）により、より詳しくは窒素により、バッチ炉の少なくとも１つの部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）内で冷却されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記鋼部材（１６、１０４）は、直接的または間接的に熱間成形および／またはプレス硬化されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記部分領域（１５２、１５４、１６２、１６４）間の少なくとも１つの境界が、鋼部材（１６、１０４）の最大長手方向寸法に対して横方向にまたは傾斜して形成されおよび／または非リニアな態様で形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記鋼部材（１６、１０４）として、半成品、より詳しくは特別注文ブランク、特別注文溶接ブランク、パッチワークブランクまたは特別注文圧延ブランク、または所定サイズに切断されたシートバーが使用されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
好ましくは、マイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０と組合わされたＭＢＷ１５００、ＭＢＷ１７００またはＭＢＷ１９００の鋼部材（１６、１０４）、および／またはマイクロアロイ鋼例えばＭＨＺ３４０の鋼部材が使用されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の方法。
【請求項１５】
前記鋼部材（１６、１０４）は、有機コーティング、より詳しくはアンチスケール保護コーティング、好ましくは溶剤ベースまたは水ベース１成分、２成分または多成分防アンチスケール保護コーティング、および／または無機コーティング、好ましくはアルミニウムベースまたはアルミニウム−シリコーンベースコーティング、より詳しくは溶融アルミニウムめっきコーティングおよび／または亜鉛ベースコーティングを有していることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
車両での、より詳しくはＡ、ＢまたはＣピラー、側壁、ルーフフレームまたは長手方向部材としての、請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法により製造された金属構造部品の使用。
【請求項１７】
鋼部材の熱間成形および硬化するための、より詳しくは鋼部材（１６、１０４）と接触する工具表面（１４）が、熱伝導率が異なる複数のセクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）からなることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法を実施するための工具。
【請求項１８】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）のうちの少なくとも１つは、熱伝導率を低下または増大させる表面コーティング（７４、７６、７８）を有していることを特徴とする請求項１７記載の工具。
【請求項１９】
前記セクション（３２、３４、３６、３８、６６、６８、７０、７２）は、異なる熱伝導率を有する異なる材料、より詳しくは鋼、鋼合金および／またはセラミックからなることを特徴とする請求項１７または１８記載の工具。
【請求項２０】
前記鋼部材（１６、１０４）と接触する工具表面（１４）は、少なくとも部分的に、交換可能なセグメント（５２ａ〜５２ｒ）上および／または工具（２、３０、６４）の工具インサート上に配置されることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項記載の工具。
【請求項２１】
バッチ炉（９０、１１４）が少なくとも２つの領域（９２、９４、９６）を有し、該領域では互いに異なる温度が確立されることを特徴とする、熱間成形法および／またはプレス硬化法の鋼部材を加熱する、より詳しくは請求項１〜１５のいずれか１項記載の方法を実施するバッチ炉。
【請求項２２】
前記バッチ炉（９０、１１４）の少なくとも１つの領域（９２、９４、９６）は、制御可能な冷却用、より詳しくは窒素用ガスノズル（１２４）を有していることを特徴とする請求項２１記載のバッチ炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１３−５０３７４８（Ｐ２０１３−５０３７４８Ａ）
【公表日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２７２６６（Ｐ２０１２−５２７２６６）
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６１４９５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２６７１２
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５１００４１４９６）ティッセンクルップ スチール ヨーロッパ アクチェンゲゼルシャフト (18)
【氏名又は名称原語表記】ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ Ｓｔｅｅｌ Ｅｕｒｏｐｅ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｋａｉｓｅｒ−Ｗｉｌｈｅｌｍ−Ｓｔｒａｓｓｅ １００，４７１６６ Ｄｕｉｓｂｕｒｇ Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６１４９５
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２６７１２
【国際公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（５１００４１４９６）ティッセンクルップ スチール ヨーロッパ アクチェンゲゼルシャフト (18)
【氏名又は名称原語表記】ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ Ｓｔｅｅｌ Ｅｕｒｏｐｅ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｋａｉｓｅｒ−Ｗｉｌｈｅｌｍ−Ｓｔｒａｓｓｅ １００，４７１６６ Ｄｕｉｓｂｕｒｇ Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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