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1、日本汽车金属材料应用发展及变化特征 1.2.1 汽车用高强度材料 1.2.1.1 使用对象及变化 高强度钢材使用对象分为两部分，一部分是汽车车身、减振及车轮用部件，另一部分是底盘和排气系统。如：需要具备防碰撞功能的零件，汽车门内防撞梁，汽车前后保险杠防撞板，车身A柱,B柱，发动机支撑梁，仪表板支架，门槛加强板，汽车座椅骨架等车身部件；车轮轮辐和轮辋高强度钢板；高强度弹簧、高碳传动轴管、高强度发动机螺栓等。汽车结构件用各种特殊钢强度一般都达到1000 MPa，如汽车转向节、转向扭杆等。图1列出日本高强度材料到2014年前的发展及使用预测。到2014年高强度钢材使用比例将从目前的40%多提高到60
2、%。高强度材料采用比例急剧增加、汽车材料高强度化将成为汽车发展的重要特征。 1.2.1.2 使用状况 汽车高强度材料的开发始于1980年，由于第二次世界石油危机后美国颁布CAFe法规，开始限制燃油标准，日本也于1979年制一定了燃油目标公示值标准，由此开始了一般高强度材料、IF-BH钢高强度材料以及HOT-DP热一轧支撑框架类用高强度材料和HOT-TRIP高强度支架用热轧材料的应用。20世纪90年代开始，美国公布了PNGV大气净化法规，日本在1993年也提出了新的燃油标准和防碰撞安全试验标准，使得高强度钢板、能有效吸收碰撞能量材料等相继开发使用。2000年在日本京都召开了地球温暖问题会议，就防
3、止地球温暖化发表了京都会议宣言。从此，高强度材料的应用开始迅速普及。 从高强度材料使用预测来看，高强度材料分为340390、390440、440540、590 MPa以上、780 MPa以上、980 MPa以上6个等级。 按强度等级分类，主要汽车零部件使用材料强度如下。 340390 MPa车身用钢板、发动机罩内板、行李箱内板、轮罩板、车门板、水箱外板等。 390440 MPa发动机罩外板、行李箱外板、翼子板、前底板、门槛加强板等。 590 MPa级：发动机支撑梁、发动机支架、门框加强板、中底板加强板、底板加强梁、轮辐等。 780 MPa级：转向支架、轮辋、后上门框加强板等。 980 MPa级
4、：门内板防撞梁、汽车座椅骨架、保险杠防撞梁等。 详细内容见表2。 1.2.1.3 开发及使用预测 今后，汽车高强度材料使用主要是向高性能、高强度材料发展，进一步满足轻量化要求，提高抗冲击性能，同时进一步提高工艺加工性能。 主要开发材料特征如下。 a.BH钢板应用开发。主要用于发动机罩板，具有高强度、耐热性能。 b:高强度DP、TRIP钢。使用强度在780 MPa以上材料，主要用于发动机支撑梁等。 c.高强度钢板。强度为9801 180 MPa的材料，主要应用在汽车保险杠加强梁等。 d.高强度热轧钢板。较厚钢板一般采用热轧材料，广泛使用的热轧钢板强度值在440 MPa以下。日本开发的热轧钢板强度
5、为590;780 MPa的材料将愈来愈多使用在加强梁等部件中。 e.轮辐、轮辋用高强度材料。目前，轮辐材料强度一般在370 -440 MPa ;轮辋材料强度在440-590 MPa。今后，轮辐将更多采用590 MPa以上材料，轮辋采用780 MPa以上材料。 热轧材料一般较重，强度提高对减轻质量、实现汽车轻量化有明显效果。如车轮钢材，轮辐材料强度如果从370 MPa提高到590 MPa，相对质量可减轻19%；轮辋材料强度从440 MPa提高到780 MPa，材料质量可减轻16%. 1.2.2 高温热冲压成形钢板 高温热冲压成形钢板是新日本钢铁株式会社和欧洲ARCELOR共同开发的超高强度材料，
6、强度值可达到1600 MPa，目前在欧美和日本主要汽车制造企业开始使用。 1.2.2.1 使用对象和目的 超高强度钢板使用对象主要为防撞零件，如车门防撞杆、保险杠加强梁,A柱,B柱、门框加强梁等。防撞零件一般要求强度较高，日本和欧洲开发的超高强度钢板弥补了这一缺欠。 1.2.2.2 特征 钢板强度提高后，面临钢板冲压性能较差和回弹度增大两个问题。 超高强度钢板加工方法如下。 钢板加热（加热炉停留5 min）加热钢板(900950、200 MPa以下）冲压（在冲压机中模具内实现淬火处理）抛丸处理（去除氧化皮）成品（1600 MPa）。 为减少热轧钢板热加工易生成氧化皮阿题，在超高强度钢板表面上进
7、行镀铝处理，即形成超高强度镀铝钢板。 日本开发的超高强度钢板有以下特点。 a.在高温环境下质地柔软，拉深成形良好，保持预订形状无回弹，成形后残余应力较小。 b.可在保持良好成形性的同时生产各种强度级别的钢板（通过调整化学成分）。 c.可一次成形，成形负荷较低。热冲压（成形非常柔软）厂在300 t左右冲压机上；980 MPa以上的钢板成形在2 000-3 000 t冲压机上。 1.2.2.3 主要性能 a.可获得极高强度材料。热冲压材料强度可以达到1600 MPa。该强度下材料可以保持良好的淬透。 b，淬火前后机械特性明显，日本某公司实际测定特性值 .如表3。 c.可保持良好的韧性，冲击韧度达到
8、80 J/cm2（温度在0100），低温脆性也较好。 d.经过镀铝处理的超高强度钢板耐腐蚀性非常好，并适合于涂装加工，其中耐腐蚀性能优于GA板。 e.焊接性能较好，可实现多点焊接，焊接部位强度稳定。.2.2.4 今后课题（对于裸材超高强度钢板） 热冲压钢板在使用时存在以下问题。 a.热冲压成形容易因脱碳导致钢板强度降低、强度不匀，并在钢板表面产生氧化皮。该氧化皮易附着于模具上，进而附着在钢板表面。 b.使用抛丸处理也可能残留氧化皮和造成残留应力。 c.需要后镀膜等，在需要耐腐蚀性较高部位进行再处理。 由于以上原因，目前在使用超高强度钢板时一般使用热冲压成形镀铝钢板。 1. 3 环保性材料 随着
9、环保意识的增强，对汽车开始要求使用无环境影响材料。为此，日本研制开发的无铅钢板开始应用。汽车燃油箱由于用途特殊，必须保证燃料渗透率和可回收处理性。美国关于燃油箱标准燃料渗透率P-ZEV要求0.054 g/25 h（LEV- II标准规定为0.5 g/25 h）。传统燃油箱材料多使用铅锡镀膜钢板，该钢板可解决燃油箱耐腐蚀性和渗透性问题。但由于含铅钢板污染环境，又开发无铅材料和塑料材料。塑料燃油箱由于不能完全解决燃料渗透问题，近年日本又开发了锡锌镀膜钢板材料，有效解决了环境污染和渗透性问题，目前已开始使用。 锡锌镀膜汽车燃油箱用钢板材料（Ecokote）是传统铅锡镀膜钢板的替代产品。锡锌钢板是在钢
10、板表面镀上锡锌合金，达到耐腐蚀和高抗渗透性作用的。 1.3.1 燃油箱材料性能要求 a.内、外部高耐腐蚀性，一般要求使用15年。 b一定的容量和质量要求。燃油数量要求燃油箱具有一定体积，但为减轻质量还需要降低材料厚度。 c.良好的加工成形性，具备复杂结构成形要求。燃油箱受汽车构造限制，需要设计成一定复杂的形状，这给钢板冲压加工带来麻烦，深拉深材料、焊接材料等要求较高。 d.具有一定的刚性要求。燃油箱须耐用可靠，不易损坏。 e.极佳的抗渗透性能，防止燃油渗透。 f.有利于回收处理。1.3.2燃油箱材料变化 日本主要汽车企业在使用燃油箱材料过程中，19971999年主要使用铅锌镀膜钢板材料。 20
11、00-2002年受环境保护影响开始使用无Cr 6+铝钢板、铬酸盐锡锌钢板和部分铅锡钢板。 20032005年全部改成无Cr6+ 锡锌钢板和无Cr6+铝钢板。但无Cr6+铝钢板的铝成本较高，2006年以后开始转为无Cr6+锡锌钢板。目前，无Cr6+锡锌钢板已成为日本汽车燃油箱主要材料。 1.3.3 锡锌钢板主要特点 a.锡锌钢板燃油箱具有良好的抗渗透性，渗透率满足P-ZEV 0.054g/25 h标准。 b.锡锌钢板具有稳定的成形性能。在复杂形状时，可以通过冲压获得理想形状。 c.锡锌钢板具有良好的抗腐蚀性能。酸性E 10试验（45,3个月）表明，最大腐蚀深度仅0.3 mm。 d.锡锌钢板燃油箱
12、最大寿命可达17.4 a。 e.锡锌钢板焊接性能优异。连续焊接性好，电焊宽度均匀。可进行锡焊，锡焊浸润区域为180 mm2。 f.锡锌钢板由于不含铅，因此无环境负荷材料，无汽车碎屑灰尘，有利环保。 2. 新材料开发特点及供应体系 2.1 新材料开发和产品开发 日本新材料开发和产品开发密切相关。每一种新材料使用都是为了满足新产品结构要求和性能要求，所以日本材料开发由汽车企业和钢铁公司共同完成。一般汽车企业从新车型设计开始，钢铁公司就参与研制，在新车型中结合汽车新结构，提出能更好满足需要的新材料。材料的强度标准根据汽车产品的结构设计确定。但当新车型为满足轻量化要求时，对于相应减轻的质量，由钢铁公司
13、根据材料的特性来满足。 材料确定时钢铁公司必须对新材料进行各种试验，试验方法和试验设备与汽车企业相同。日本汽车企业一般不对材料本身特性进行试验，而钢铁公司则按汽车企业要求进行各种满足汽车零部件使用性能的试验。 新材料采用的主要目的是提高综合性能。钢铁公司采用新材料须充分考虑成本。任何新材料的采用除必须满足汽车性能要求外，还必须考虑不断降低成本的因素。材料的成本包括制造成本和使用成本。材料制造成本低但制造工艺复杂，制造时需要高级设备的方法同样不能采用。日本汽车企业在计算成本时，一般不单纯按材料价格，而是综合工艺性能加材料成本来最终决定材料的使用。 2.2 材料供应体系 日本采购供应体系比较有特殊
14、性，它和欧美公司单纯依靠价格竞争有所不同。日本企业采购体系的主要特点是稳定、长期、依存发展、互利。 日本汽车企业和供应商之间是相互依存、共同发展的关系。汽车企业支持供应商发展，一般汽车企业在供应商发展初期，不论在技术和还是在资金方面都给予大力支持；供应商发展起来以后，同样给汽车企业在成本降低、技术研发等方面给予协助。供应商和汽车企业一旦合作相对比较稳定。 钢铁公司和汽车企业是非常牢固的合作关系。但汽车企业和钢铁公司之间存在由于钢铁产品特殊性而导致繁杂的物流问题。日本公司一般由大商社担当物流工作。钢铁公司生产的产品体积大、质量大，运输保管需要专门公司经营。日本是通过商社建立物流配送中心，实现低成本、高服务的合理物流配送业务。总之，材料价格的确定不能单纯依靠材料本身价格，汽车企业需根据材料价格、加工、工艺成本、物流成本等综合因素，决定材料的使用。 信息来源：汽车工艺与材料
