日本汽车金属材料应用发展及变化特征

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 1. 汽车材料变化的主要特点 日本汽车产业发展始终是依靠技术领先来实现的。20世纪80年代以后，日本汽车已经开始销往全世界，可靠的动力性、极强的经济性和先进的电子操纵系统带来的极其便利的使用性能使日本汽车在世界市场极具竞争力。这种变化是和汽车产业在材料应用方面的先导作用密不可分的。根据20世纪90年代以后汽车材料的应用特点，不难看出日本汽车产业发展中材料应用的主要变化。影响汽车制造的主要因素有两方面：一方面是汽车产品自身结构的设计技术，世界主要发达国家汽车制造企业都具有大规模的研发中心，汽车纯理论研究成果并不显著，相反汽车结构设计和越来越先进的电子技术的广泛应用成为汽车产业领先发展的标志；另一方面就是汽车材料技术的应用。材料技术应用的主要特点是汽车加工工艺性合理化、安全性、轻量化以及环保性。 1.1 工艺性及加工性材料 汽车设计技术的发展要求材料技术相应得到提高。复杂、先进的设计结构和合理有序的加工工艺性能之间存在一定的矛盾，理想的结构设计必然会给工艺制造带来一些不合理因素。随着汽车市场飞速发展，要求汽车行驶速度和安全可靠性能不断提高。提高稳定性下的汽车行驶速度必须通过提高汽车动力性能加以解决，但受汽车结构空间限制，不可能通过扩大结构、加大发动机缸数来实现其高动力性，因此解决的方法只能是不断提高材料强度和加工精度，以此来提高零部件运行性能，减少动力损耗，提高输出动力。因此，材料加工合理性成为关键。日本在提高材料加工应用性方面采取钢铁公司和汽车公司联合研制、合作开发模式。汽车制造公司一般只向钢铁公司提出产品性能要求和加工工艺要求，具体材料的化学成分及机械特性等则由双方共同确定，钢铁公司为满足汽车公司要求，主动在钢厂研究机构设立完备的汽车材料试验设备。在日本最大的钢铁制造企业——新日本钢铁株式会社技术中心及各钢铁制作所建立了比汽车制造工厂更完善的试验室，试验设备从先进的光谱金相组织分析仪、拉伸性能试验机、高温渗碳炉、锻造设备到试验用2t冶炼电炉等。新日铁公司向丰田、日产等汽车公司提供的汽车钢材在此进行各项试验，有些汽车企业所必须进行的试验项目在钢厂也代替完成。汽车用钢材主要分两大类，一类是棒线材结构钢，另一类是板材冲压成形加工材料。以下重点介绍在改进工艺性方面，日本钢厂新开发的两种新材料。 1.1.1 非调质钢 汽车上锻造用特殊钢（国内称为优钢）的传统生产工艺为棒钢→切断→加热→锻造→热处理→机械加工。由于特殊钢加热锻造后强度下降，锻造完成后必须进行热处理调质处理，因此也将特殊钢称为调质钢。为进行调质处理，一般锻造厂中都有一个很大的热处理车间，热处理工艺成本高，环境污染，人员需求多。日本热处理调质(QT)费用平均为250美元／t，大约占钢材成本的30％。国外由于人工成本和能源电几力成本较高，热处理费用占加工工艺总成本比例逐步提高。为提高汽车特殊钢加工工艺性能和降低成本，日本新日铁公司和丰田、日产等汽车公司合作开发了非调质钢材料。 1.1.1.1 应用对象 日本非调质钢是相对调质钢而言，指不要进行调质处理的特殊钢。应用对象是轴类件和冷镦加工零件。主要产品为汽车前梁（前轴）、曲轴、转向节、半轴、转向臂和冷镦加工使用的螺栓、螺母汽车标准件等。 1.1.1.2 主要特点 汽车轴类零件主要特点都是需要热锻造和冷锻加工，热锻前加热温度最高达1250℃，普通调质钢在经过加热后强度大幅降低，一般调质钢加工前的材料抗拉、强度为900 - 1 000 MPa，锻造加热到1000℃以上，锻造完成后锻件强度下降到200-300 MPa，经热处理淬火处理后，一般可以达到1 700~2 000 MPa，再经过回火处理使强度恢复到900-1000 MPa的要求。淬火加回火热处理工艺称热处理调质处理。锻造厂对锻件进行热处理调质处理需要大型热处理炉，现代汽车生产规模不断扩大，对需进行热处理加工零件数量不断增多，因此热处理设备也在不断扩大。大型热处理设备需要大量电力，对环境等也产生影响，而且热处理设备必须常年运行，浪费大量能源，受能力限制往往还制约企业临时增产计划的完成。而非调质钢由于不需要热处理工艺，它的开发、应用对减少生产工艺具有重要意义。 1.1.1.3 使用非调质钢数量 日本近80%以上汽车企业已开始采用非调质钢，绝大多数企业已完全取消了热处理工厂。2004年日本汽车特殊钢用量为319万t，其中非调质钢为204万t，占64%。采用的零部件主要以汽车结构件、保安件为主，汽车底盘、部分重要传动系统、动力系统、排气系统中主要零部件都开始使用非调质钢（见表1）。 1.1.2 MZ镀膜钢板ZINKOTE MZ（P-Steel） MZ镀膜钢板是日本新日铁公司专利产品，由新日铁广田和八幡制铁所制造。 1.1.2.1 主要特点 a.环保性能优良。MZ钢板几乎不含任何有害环境的元素，在汽车使用和回收中不会给环境造成污染。 b.成本低。因加人Mg的效果，即使薄镀锌层也有良好的耐腐蚀性、冲压性和焊接性。 c.适用于轻量化技术（薄镀锌层）。易于钢板高强度化和采用激光焊接。 1.1.2.2 镀膜构造 MZ钢板表面经电镀处理后镀锌，镀锌层为30g/m2，镀锌层上面再附着两层膜，里层是含Mg磷酸盐处理层，外层是Mg无机膜。MZ镀膜构造主体是EG(30 g/m2)+2层镀膜，其效果相当于电镀锌(EG)钢板60g/m2镀锌量。因此，MZ钢板特殊构造使其具有良好的耐腐蚀性、冲压性和焊接性。 1.1.2.3 MZ钢板和普通电镀锌(EG）钢板比较 a.耐腐性。 MZ钢板开孔处最大腐蚀深度为0.45 mm，低于电镀锌的0.52 mm。日本马自达公司应用MCT II模型方法对门板压合后开孔处进行的腐蚀试验表明，MZ钢板最大腐蚀深度为0.4 mm，低于电镀锌(EG60)0.6 mm水平。经外表面腐蚀试验分析，MZ钢板最大膨胀幅度为0.8 mm，EG60为1.1 mm，表明MZ板优于电镀锌板。 MZ钢板耐腐蚀性优异的主要原因是加人镁磷酸盐后的锌具有氧化还原抑制作用，锌腐蚀生成物ZnC12+4Zn(OH)2具有保护作用，同时双层镀膜还起到两重保护作用。 b.生产性。 MZ钢板摩擦因数为0.075-0.125，低于EG60的0.125-0.225。摩擦因数低可保证具有良好的冲压成形性能。特别是用深冲零件冲压比较，MZ钢板的冲裂数远低于EG60，是EG60的1/10. 连续多点焊接试验分析表明，MZ钢板适应电流范围大，可在8.5~10.5 kA，EG60仅在9.8-10.8 kA. MZ钢板连续多点焊接数也优于EG60板。 油漆处理后钢板表面变化情况分析表明,MZ钢板在钢板外表面形成高密度微细结晶，可确保涂装性能及外观防锈性能。 目前，在一汽轿车公司生产的Mazcla6轿车车身外板正使用MZ镀膜钢板。其良好的冲压性能，可靠的焊接性和长久的耐腐蚀性得到好评。 1 .2 安全性及轻量化应用材料 日本汽车材料开发应用的另一特点是从汽车安全性及轻量化方面充分考虑使用高强度材料。汽车用钢板材料主要是通过提高钢板抗拉强度来降低钢板厚度，进而达到在满足汽车车身所需刚性变形条件下，最大限度减轻钢板质量。日本20世纪90年代开始研究高强度钢板，抗拉强度逐步提高，提高到1 180 MPa，最新开发的热冲压材料最大Rm,值可达1600 MPa。以下介绍两种日本开发的代表性高强度材料。 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%。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340~390、390~440、440~540、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。 390~440 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：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。 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980~1 180 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，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(900~950℃、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。 1.2.2.4 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。 2000-2002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。 2003~2005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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/21/2008)