汽车用高强度钢板的现状及今后的展望

汽车用高强度钢板的现状及今后的展望l前言为了降低C02排出量和提高碰撞安全性，汽车车体必须同时具备轻量化、强度化，因此扩大使用了高强度钢板。高强度钢板在实现高强度化、轻量化的要求（即成本性能）方面无疑是一种优良的材料，可以认为，在今后更为严格的规章制度下，其使用将会日益增大，尤其随着对碰撞安全性的高度关心，其作用会愈来愈大。但是高强度钢板一般随着强度的提高，加工性能会恶化，所以使用情况不一定很好。另外，当强度高时，还必须具备像软钢板那样的扩孔性和弯曲性等特性。为了尽可能改善难使用的状况，充分发挥其性能，曾进行了各种各样的开发。本文拟对高强度钢板的开现状及今后的展望进行叙述。2高强度钢板的使用现状和种类随着燃料费的提高，进入上世纪80年代后，高强度钢板使用率（如图1所示），就不断上升，但是对轻量化的要求并不那么强烈，曾在90年代后有一段时间处于停滞状态。但是，随对碰撞安全的社会认识提高，在1995年和1996年相继引进了J-NCAP（国土交通省和汽车事故对策机构的汽车评定）及EURO-NCAP（欧洲新汽车评定方案），开始公开一般汽车安全情报，高强度钢板酌使用再次开始增加。特别在1998年当欧洲不均匀碰撞试验法制化时，欧洲委员会规定了在2008年的C02发生量不得超过140g/km的目标，为了满足其规定，故加速使用了高强度钢板。80年代的高强度化强度水平主要是340-440MPa级，而最近以590MPa为主。图2表示某钢铁厂以1995年的生产量为100时的各强度水平的高强度钢板的出厂量，可以看出590MPa级的增长量显著。2003年的生产量实际已达到1995年的35倍。由图可知，最近高强度钢板化的主流是590MPa。随高强度钢板化比率增加，超过590MPa的比率也增加了，其内容也发生了变化。所以，今后的高强度钢板化比率必然是590MPa以上的钢板。高强度钢板是根据拉伸强度区分的，在其开发过程中根据每个使用部位要求的特性，经历了强度缓慢提高的过程，这不仅仅是强度，而且根据特性出现了诸多种类。最近准备收集一些具有代表特性的种类，但目前只要能做成部件使用的钢板就进行优先开发，所以存在着种类增加的过渡阶段。成形性的要求并不那么严格，但强度要求很高的增强保险杠和横梁那样的部件，从1980年后半期就已使用了1180MPa级钢板和1470MPa级钢管。由于车盖、车门、外表面板类要求耐凹坑性、表面精度和拉伸刚性，所以340MPa级的BH钢板依然是主流，但是，最新的车种已开始使用440MPa级外面板类钢板。在车架侧梁、车身底框等骨架部件已开始使用590一780MPa级的钢材。尤其对像侧面碰撞极易变形那样的部位，已开始使用980MPa或用热冲压成形的1470MPa级钢板。最近从确保碰撞安全性考虑，在骨架部件上使用590MPa级或更高强度的高强钢板已成为大的潮流。当强度高时，大多情况下是局部延性支配成形性。在伸长凸缘部，这种局部延性是很重要的。为此开发了改善增长凸缘性即局部延性的高内缘翻边钢板。在热轧钢板方面开发了单相组织型（贝氏体单相、贝氏体型•铁素体单相和铁素体单相）和各相间硬度差小的钢板。在冷轧钢板方面开发了组织均匀化，其弯曲性和伸长凸缘性等局部延性优良的钢板。3高强度钢板开发的最近话题3.1先进高强度钢板的实用化。？钢（双相钢：铁素依马氏体复合组织钢）从上世纪70年代后半期开始研究，到80年代作为轮盘用的热轧钢板已经实用化。但是DP钢若用一般方法制造，由于其强度在590MPa以上，所以若将其作为车体用冷轧钢板是很难实用化的。实际上从590MPa级的加工难度，特别是从确保形状冻结性的难度来看，实用化并没有加快。但是，最近随对轻量化碰撞安全性要求的高涨，其应用已开始急剧增加。另外，低合金TRIP钢（变形诱发塑性：铁素体+贝氏体+残余奥氏体的复合组织钢）从80年代前芈期开始研究，到实际实用是在90年代结束后，这也是由于人们认为590MPa以上的强度必要性不大，故普及迟缓所致。TRIP钢最初用于车轮部件，最近已开始在车体的骨架部件上使用。这样的高强度钢板与析出强化型高强度钢相比，其延性高，并且在冶金方面还采取了新的措施，故称AHSS（即先进的高强度钢或高强度钢）。最近，AHSS的普及已成为趋势。

当AHSS用于车体时，其前提必须是可以电镀，车体用钢板目前几乎都采用表面处理钢，因此，AHSS也必须进行表面处理化。由于最近技术的进步，电镀已成为可能，这是能实用化的最大原因。关于高强度钢板的制造工艺已相当成熟，在连续退火设备或连续熔融镀锌设备普及以后，其工艺几乎没有变化。最近的钢板高强度化并不是由于制造工艺的变革，而是由于制造工艺的最佳化和表面难处理材的表面处理化技术进步做出的贡献。例如，在熔融镀锌炉中，由于控制了氧化、还原的状况，便得到了TRIP钢的合金化熔融镀锌钢板。3.2热冲压的扩大当侧面碰撞规定严格时，车体侧面就必须强化，在这个部位尤其需要使用强度高的超高强度钢板。类似热冲压或热锻压的加工法已用于制造具有1470MPa级强度的钢板。该方法的实用化大慨是在1975年左右由瑞典首次用在汽车方面。热冲压法就是钢铁厂以800MPa级强度出厂，冲压时一次加热到900r以上的高温，在金属模具中成形后再进行淬火而得到高强度的方法。这种方法已开始在车体方面应用，这是最近的另一个话题。由于加工1470MPa级钢板时并不容易，所以在进行热加工的同时，强度会上升，这对形状冻结性非常不利，目前正在研究。另外，在加热中由于会生成铁鳞，为此，开发了镀锌或镀铝的钢板。3.3高强度化出现的诸问题随着强度的提高必须注意在软钢中不会出现的问题，这就是焊接性和延迟破坏。在高强度钢板点焊时会出现即使钢板强度上升，而横向拉伸强度却不提高的问题。并且拉伸剪切强度也通常随着母材的拉伸强度的提高而提高，但当母材强度超过980MPa时，就不再是直线上升。必须对此充分考虑，进行接合处的设计，开发具有优良焊接性的钢板。一般认为，当厚板类材料拉伸强度超过1200MPa时就可能发生延迟破坏，薄钢板也同样可能发生延迟破坏。这种现象可能在冲压时或者因暴露在腐蚀环境下浸入氢气而发生的，特别是随着强度的提高，必须注意延迟破坏。为此进行了一些研究，开发了在通常环境下即使浸入氢气也不会发生问题的钢板。3.4LCA3.4LCA方法的一般化在选择轻量化材料时，开始采用LCA(LifeCycleAssessment)的考虑方法。虽然数据还不一定完全齐备，但是用ELV(EndoflifeVehicle)的总能源消耗量或C02和其他有害物质排出量来评价轻量化效果已是一种趋势。无论使用多少轻的材料，在其材料的制造过程中如果C02的发生量多时，那么到车报废时的总排出量并不一定低，所以这是一个正确评价的方法。也可以看到一些有关汽车车体高强度钢板化的例子，例如，以UL-SAB(UltraLightSteelAutoBody)课题的结果为例，计算了高强度钢板化比率高时的能源减少量(如图3所示)。可以看出，高强度钢板由于制造能源的增加非常少，所以轻量化的节能效果大。今后可能会有更正确的评价方法。3.5ULSAB-AVC科研课题加盟IISI(世界钢铁协会)的33家钢铁厂为了探索使用钢铁材料轻量化的可能性，对多种采用先进高强度钢板的新型车的设计计划ULSAB-AVC(UltraLightSteelAutoBody-AdvancedVehicleConcept)®行了研究。这个科研课题首先研究了ULSAB计划，然后尽可能采用已实用化的先进高强度钢板。本科研为了能将各国规格不同的高强度钢板能尽量统一，都采用了类似DP300/600［钢种］［屈服强度］/［拉伸强度］的钢板。白色车体差不多100%使用高强度钢板，590MPa以上的先进的高强度钢板其使用率超过80%。如图4所示，为了同时具备碰撞安全性和轻量化，研究了车体构造采用特制厚板、液压成形和薄板液压成形等技术，便车体最佳化，用l☆〜5☆的5个阶段(5^最好)评价碰撞安全性，在US-NCAP和Euro-NCAP方面能获得4☆〜5☆的高碰撞安全性能和lgo-/o一32%的轻量化。该结果正慢慢在实际的汽车上使用，并且在最近销售的Porsche的Cayenne中取得了很大的成果。使用了大量的先进高强度钢板，并且车体结构也充分反映了ULSAB-AVC的成果。由此可知，随高强度钢的进一步应用，辅以车体结构最佳化碰撞安全性和轻量化一定能达到更高的水平。5今后的展望本学会对将来的预想作了叙述，这些预想是：外面板类已使用440MPa级强度板；TRIP钢受到人们的关注，制造技术需进一步发展；加强部件强度将会使用1370-1570MPa级强度材料；进行钢板表面处理；为补充成形性的不足，引进CAE等。从现在的状况看，所有的结果几乎都是按照上述预想进行的。例如，外面板类使用了440MPa级材料，加强部件虽然施行的方法不同，但用热锻压材实现了1470MPa级强度，TRIP钢的表面处理钢板已实用化。另外，CAE的引进也很盛行，并且在形状冻结技术上进行了应用。虽然看到了这些按预想所取得的进展，但这十年的进步给人有停滞不前的感觉。这可能是由于对不景气导致成本提高、形状冻结技术不充分等因素所致。但是，预想今后的十年会随CAE技术的进步及冲压机的伺服装置化等，高强度钢板的应用将会取得大的进展。在应用的强度水平上，骨架部件大a级都使用590MPa级强度的一般材料。另外，特制厚板的高强度钢板因材因地的应用比以前更为广泛.定能实现轻量化和确保强度的目标。现在高强度钢板的应用率大约已上到40%，仍在不断扩大。骨