有助于轻量、小型化地金属材料地现状与未来

1、有助于轻量、小型化的金属材料的现状和未来1前言围绕汽车所产生的环境变化，其严重程度在逐年增加，例如，以C0P3为起端的对提高汽车燃油经济性的要求， 各个汽车厂家，从提高碰撞安全性、提高运 动性能这两个方面考虑，正在积极地采取适合汽车轻量化的对策。 构成汽车构造 部件的材料，在原来是以钢铁材料为中心所构成的，但是，近年来，由以铝、镁 为代表的轻量金属所构成的比率正在逐年递增。轻金属的采用，对于汽车的轻量 化以及提高运动性能的帮助很大，但是，相反的制造成本比钢铁材料高，因此， 在现阶段，它仅仅限于用在高级别的车上。 在此，对在轻量化材料中所具有代表 性的铝、镁材料的现状和所存在的课题进行说明，同时

2、，对有助于可以最廉价制造并且可以有助于轻量化的超强度材料的开发现状进行记述。再有，对有关面向轻量化材料与钢铁材料的复合构造体（混合构造）量产的结合技术的课题进行一 下介绍。2轻量化材料的现状与课题2.1作为汽车构件的铝材料在现在，作为汽车的非铁轻量化材料而最多使用的铝材料，它在汽车整体质量中所占的比例为6%8左右（图1），在质量方面，推测为120kg/辆。铝材 料的采用在全世界今后也是呈现出增加的趋势。在 1990年以前，铝制部件还仅 仅限于用在活塞、进气岐管、缸盖、变速器等，但是，在近年来，它已经扩大采 用到了车身骨架部件、悬架部件、发动机缸体等轻量化效果较大的大型部件上了。 再有，在外板部

3、件上的采用也具有特征性，它也被采用到了发动机罩盖、翼子板、 后车门等。所使用的铝部件可分为铸造材料、 锻造材料、薄板、挤压材料，但是, 主体依然是铸造材料。號剧霰表面处理脱）二菲铁金厘 内铝航特殊钢内合金钢）非金属（内合成树脂）注 各年的调查车型不同，原单位总重量根据苴厝况变化资科:日本的汽车工业如02年日本肯车工业合图1构成汽车材料的比率变化M .四上' ym HWiZAHs_ 弋坠遍止如rTjSga?=埠盥樹诰轴料、丁r.inik理295（捏1上肯日甫轻金厲幵贤的紂料，.为Jis合金J上亂2011.WK珀肯快削刪；M.歸特高“中蠱度.世是，耐热惟、耐露隹、&inm3040延

4、伸率宀图2铝材料的机械特性事例2.2铝材料的优点与课题铝材料作为轻量化材料所具有较大效果的很大理由在于，它与钢铁材料相比，比重为1/3，拉伸弹性模量1/3。正因为如此，它作为轻的材料而被用于发 动机等的铸造部件上，但是，它即使是作为板材部件，从等价面刚性的的观点（E x f3）出发，铝以铁的1.4倍板厚就可以确保板材的刚性。根据这样的特性考虑 才是用于铝外板上的理由。图2上所表示的是铝材料的抗拉强度和断裂抗拉特性 （3）。与同一强度水平的钢铁材料相比较的话，其成形性较低，因此，需要考虑到 对板材部件那样造型设计师所要求部位的成形问题。另外，从经济产业省的机械统计年报所统计出的用于汽车的生铁铸造

5、制件、 铝铸造制件以及铝压铸制件的公斤单位来看， 针对生铁铸造制件的单位170日元 相比，铝压铸制件为680日元、铝铸造制件为530日元，由此推测为是从生铁铸 造制件的3倍多到接近4倍（4）0因此可以考虑为，由于它比铁的成本高所以所使 用的部位受到了限制。从再生利用性的方面来考虑，可以例举出以下课题。在汽车报废时所发生的碎片，在能够被分别出合金系列的条件下是可以再生 利用的，但是，它一般都是以与板材料、挤压材料、铸造材料不同的种类材料混 合的形式而形成的碎片。因此，这些碎片作为低品位的混合碎片， 为了再生利用 完全发挥出其再生循环利用的优点， 在现阶段条件下是不可能的。因此，为了有 效地使用高

6、级的铝材料，要建筑起来能够确实进行废车时的碎片区分的再循环利 用系统，这一点是必不可缺的。2.3作为汽车构件的镁材料镁材料的比重与铁相比，约为1/4，比铝还轻，因此，作为轻量化材料而倍 受瞩目。一般来说，镁材料被作为笔记本电脑等信息电子仪器的外壳材料而使用， 不断地成为了我们身边所常见的材料。日本的镁块是100%勺进口，2000年度的进口量是38 000t。其用途主要是作为饮料铝罐的添加剂来使用， 它占总体的50% （5）。其它用于手机、笔记本电脑、汽车、二轮车部件，特别是在汽车、二轮车的 部件上所占的比例，为14流右（约4 000t ）o在欧美的镁合金需求发展，主要目的在于车身轻量化的要求，

7、它是发展的原 动力，例如BIG3协助，推进镁合金的采用，以将大型仪表板作为整体化的挤压 制造法来进行制造，并且积极地研究引进到支架、气缸盖中等。另外，在欧洲， 除了框架类之外，也开始采用在车门内部构造当中了。 在日本国内，没有像欧洲 那样的采用在大型部件当中去的原因可以说是，作为廉价的轻量化对策，主要的 是积极地推进钢铁材料的开发。2.4镁材料的优点与课题镁的特性是比重比铝还要低（铝的2/3，铁的1/4），在实用金属当中可以说 是最轻的材料。另外，针对梁结构的同一挠曲量的等价产品设计的情况下（J（E:拉伸弹性模量）/P （密度），针对轻量化的效果，根据镁合金的轻量化 效果，针对铁来说为53%针

8、对铝合金来说为20%“）。一般来说，镁合金的延伸 特性比铝合金更小，具有塑性加工性不良的倾向，主要的加工方法与铝合金同样， 压力机锻造、摇溶铸型那样的铸造件占有大多数，温热成形代表的冲压成形方法 为最近开始采用的加工方法。作为再生循环利用性，将镁合金再溶解是可以进行再生循环利用的。特别是再生利用时，由于可以将消耗的能源控制在制造新镁锭时的4%左右（7），因此，一旦确立了再生循环利用系统之后，它将会成为非常出色的生态材料。从LCA的观点来看，也可以说是十分出色的材料。但是，由于由铁、铜那样不纯净物所 造成的腐蚀性恶化显著，因此，需要进行碎片当中铁、铜等的完全分离。在汽车 部件等当中，由于根据用途

9、、部位的不同，所使用的合金也不同，因此，不纯净 物元素的管理也是十分困难的。另外，必要的化学生成膜处理件的处理、 去除涂 层等的处理也是十分麻烦，因此，在现阶段条件下还没有确立再循环利用系统。镁合金的成本为400日元/kg以上，可以说是现在铝的约1.7倍（7）（8）。为了 成为比铝更加轻量化的目标材料， 需要将其成本降低到1.21.4倍。因此，就不 是由铝部件单纯地只是进行材料的改变， 而是应该进行部件个数、组装工时的削 减等，这些附加效果的作用就变得更加重要了。以上就有关作为轻量化金属材料而倍受瞩目、采用的铝合金、镁合金的现状及特性进行了概要的叙述。概括来说的话，作为轻量化效果，可以说比钢铁

10、材料 要大，但是，制造成本高，其结果是再生循环利用性是十分重要的，其条件不能 确立等的课题很多。在现阶段条件下，作为最廉价的轻量化材料是以钢铁材料的高强度材料，在下一章就其开发动向进行一下介绍。3有助于轻量化、小型化的钢铁材料构成汽车车身的材料，主要是薄钢板，为了适合车身轻量化的必要性，钢板 的高强度化得到了大力地推广。在车身薄钢板当中，采用了冷轧钢板、合金化熔 融镀锌钢板以及热轧钢板，但是，由于是根据冲压加工而进行部件成形的，因此， 主要是以提高加工性为主要目的来推进开发起来的。1990年代的车身用钢板的抗拉强度水平曾经为440MPa级高强度钢板，但是，进入2000年，出于提高碰撞 特性上的

11、考虑，开始广泛地采用了 590MPa级钢板。另外，在近年来，也开始适 当地采用了 780、980MPa级钢板，在本章对在近年来所开发的高强度钢板的形式 与特征进行一下概要地说明。3.1车身件用高强度冷轧钢板图3表示的是，作为在现在汽车用部件当中所使用的高强度冷轧钢板的形式 与冲压成形性指标的延伸率、扩孔率以及丫值的比较。到440MPa级，主要是根据添加Si、Mn以及P等固溶强化型元素来进行强化的，但是，为了获得超过 590MPa的强度的话，要是只用固溶强化的话就显得不足了，这时候就利用了以 细微炭化物进行分散强化的析出强化和以马氏体、贝氏体等变态硬质第二相进型 强化的变态组织强化等。在590以

12、及780MPa级高强度冷轧钢板中，为添加了 Nb Ti等，以细微炭化物强化了的析出强化型钢板和在富于延伸性的铁素体组织的 变态组织中以硬度最高的马氏体来进行分散强化了的DP钢板(Dual Phase )被广泛地采用了。如图3所示，析出强化型钢板在同一强度水平当中， 与其它形式 的钢板相比较，屈服强度高，这是它的特征。oTJUF型钢橫DF钢犠折由賤此里潮檢IF型钢板聲氏体钢犧R氏俸钢板IF娶歌钢極-1IF里钢振£氐体钢振風庚:出乌氐俸额擴400 <SDD 聲 I 1 3 3H01.400 I 古囂“jtu fltT TS XCPj图3高强度冷轧钢板的抗拉强度与加工性的关系（Q 热

13、轧NANC高强度）相反，DP钢板延伸率高，但是，屈服强度低，这是它的特征。钢板的屈服强度低，但是，在加工硬化特性上出色，根据烘干涂装时的时效硬化特性（BH性），加工部件的屈服强度变高。另外，在冲压成形时的应变传播特性出色，适 用于严格的外伸加工和拉深加工。TRIP型钢板与析出强化钢板和DP钢板相比， C量高，它是在钢板制造阶段进行了奥氏体等温淬火处理，使其生成贝氏体和残 留奥氏体了的钢板，它的特征是表示出了显示明显利用了塑性诱发变态了的加工 硬化特性的高延伸率（9）,它已经在590以及780MPa级上实现了实用化。3.2超高强度钢板在超过980MPa级的超高强度钢板上，推进了提高在DP钢板的延

14、伸性的材料 开发，如图3所示，在980MPa级，El显示到18轴E样，从原来的由滚压加工和 弯曲加工的保险杠辅助加强材料等， 根据伴随外伸、拉深成形的冲压成形，已经 扩大适用到了车门柱、门框辅助加强材料等白车身用部件上了。 但是，在确保钢 板加工性上，只是针对延伸采取措施，有时也会出现成形不足的不良现象。 这就 是在对被称之为延伸凸缘破裂的冲压成形时的凸缘端面进行拉伸加工所产生的 破裂，这就是复合组织形式的高强度钢板没有对EI采取相应措施的不良现象。延伸凸缘成形性，一般是根据利用了冲料孔加工了的孔的扩孔试验来进行评价 的，如图3所示，780MPa级，析出强化钢板、DP钢板以及TRIP钢板，扩孔

15、率都 是明显地下降了，对严格的延伸凸缘成形部件是不充分的。近年来，在DP钢板上进行了延伸凸缘成形性的改善，开发了延伸性和延伸 凸缘成形性出色的780、980MPa级别的钢板（10。在降低马氏体硬度的同时增加 体积率，一边维持住强度，一边缩小母相铁素体与马氏体之间的强度差。由此， 控制在冲料时的端面延伸性的恶化， 提高延伸凸缘成形性，如图3所示，可以与 590MPa级钢板相匹敌。另外，980MPa级马氏体单相系列钢板，不存在异相界面， 严格的局部变形能出色，可以根据原来仅限于适用软钢和AI等的TOX卷边部件装配，并且达到了实用化水平 ）。;抗K®度1 |IN> 匸 U :-* J

16、飞乞-*丨亠I ， I “ *° J丄 Q15q_4&J&0.5G55 uA （i.U C炭索当量r -1 ' L "'h '最那弯的半径展小破坏时I可图4涉及至il超高强度冷轧钢板的弯曲特性 和耐延迟破坏特性的遐度与C当量的关系图4涉及到超高强度冷轧钢板的弯曲特性和耐延迟破坏特性强度与C当量的关系在超过1180MPa级的超高强度钢板当中，马氏体单相系列钢板为主体，不适 合用于需要高延伸性的外伸成形和拉伸成形，但是，却有适用于缓冲梁那样碰撞安全部件中以弯曲加工主体的成形事例。如果是这样的强度水平，控制在部件成 形后的残留应力造成的延迟

17、破坏就成为了课题。图4表示的是涉及在超高强度钢板的弯曲加工性和U弯曲束缚状态下的0.1N盐酸水溶液中浸泡时破坏时间的钢 板炭素当量Ceq.的影响（。成形后的延迟破坏成为问题的强度水平是1200MPa以上。但是，使得钢中 Ceq.的适当化，在钢板的连续退火阶段，采用水冷、气 水冷等急速冷却技术，在耐延迟破坏特性上表现出色的超高强度钢板已经开发到 了 1470级别，并且达到了实用化的阶段。另外，近年来，将毛坯加热到奥氏体 领域后，在模具冷却时淬火，将延伸强度提升到1500MP进右的热冲压技术也已 经开始进入了实用化的阶段 （。它的特征就是，作为部件的屈服强度高达约 1200MPS左右，以钢板变形阻

18、抗低的热冲来减轻由于冲压所带来的冲压机械负荷 以及由于成形时残留应力发生的降低所造成的耐延迟破坏的下降。但是，对模具接触时间长的拉伸成形形成了制约，它对于复杂形状部件的运用存在着很多的课 题。但是，无论任何手法，部件阶段的金属组织都是延伸性较低的马氏体单相， 在扩大应用到碰撞变形部件上，存在着需要改善延伸性的这一课题。3.3新高强度钢板近年来高强度钢板的提高是以控制马氏体或者贝氏体组织等变态硬质相的 组织为主体所推进开发的，但是，也开发用纳米尺寸析出物来强化铁素体单相组 织之后的热延纳米高强度钢板。在由析出物来进行强化时，将析出物的颗粒直径 做的越小就越能提高强度量。原来析出强化型钢板的组织，

19、是由大小为数十nm的TiC或者是NbC分散了之后的铁素体和珠光体而构成的（13）0这些高强度钢板，由于只是考虑到强度设计的合金， 因此，不适用于汽车部 件的复杂冲压成形。其原因就是珠光体组织，纳米高强度钢板是不使其生成珠光 体，实现对铁素体的数 门口的（Ti、MO C析出物的均匀分散，以此来实现 780、 980MPa级的抗拉强度（14）o图3表示的是将热延纳米高强度钢板的机械特性值与 高强度冷轧钢板的比较。由于是贝氏体单相组织，因此，扩孔率极高，延伸率与 DP钢板同等程度，这样的话，使得作为原来析出强化型钢板的瓶颈的成形性得到了显著地提高。适用于内缘翻边加工严格的悬架臂的780MPa级的纳米

20、高强度钢板已经进入了实用化阶段。另外，比原来析出强化型钢板屈服比高，980MPa级比马氏体单相系列高，呈现出可以与 1200MPa级相匹敌的屈服强度。4有关高强度薄钢板焊接以及钢铁与非金属材料接合的现状与课题4.1高强度薄钢板焊接的现状与课题钢板是约占车辆质量25%勺车身的主要材料。作为对轻量化所做出的努力， 正在推进车身和车身部件的铝制化和树脂化。但是，出于成本和生产性的考虑， 我们认为即使是在今后，钢板材料的优越性也是不会改变的。 另外，有助于碰撞 安全性的车身骨架材料，伴随着安全标准的强化和用户安全意识的提高，增加辅 助加强材料和增加板厚的倾向在逐年地提高。因此，高张力钢板的使用将会急剧

21、 地增加，590MPa级的使用将会成为一般。在制造工艺方面，TWB已经是一般化了， 不用说是内板，就连使用到准外板上的车型也出现了。 由于高张力钢板和新制造 工艺适用的这样扩大，因此，在使用这些的时候，就需要充分注意到焊接部位的 强度。也就是说，看一下在汽车制造中最为常用的点焊强度的话，如图5所示，伴随钢板的高强度化，随着截断强度增加的剥离强度不增加， 大致是一定的，或 者是，根据钢板的化学成分有时也会下降(15。作为其对策是，如图6所示，特 别是根据控制C、P、S等的化学成分，来稳定确保剥离强度这一点就变得重要了(15)。毎刪破坏断裂抗披截断甥度Z通电討问I Hey确母点宜径 “ t J t

22、i他IW600700图5母材的抗拉强度雨点焊强度的关系高张力钢板在对轻量化做出很大贡献的同时，也希望为了进一步的达到轻量化而更加地增加接合强度。VW集团已经起到了带头，在车身制造当中激光加工（焊接、钎焊）已经被更多广泛的使用。激光焊接由于是连续的焊接，因此我们 可以知道，它与点焊部位材料相比，无论是刚性、静态强度，与原来相比，碰撞 强度也得到了大幅度地提高，针对车身轻量化来说，高强度薄钢板的应用效果得 到了增加。图7表示的是，Golf V接合法的使用比率（16。车身全焊接长度的约 45%5用激光焊接。其结果是，与原来车型相比，弯曲刚性提高了35%扭曲刚性提高了 80%等，再加上性能方面的改善，

23、减少了制造工序的数量、降低了热应 变，以及减少了组装工厂的面积。现在，日本还没有普及像欧洲那样程度的激光 等新加工技术，但是，今后为了实现车身强化和轻量化，将考虑对其使用的推广。25 r图6钢板的化学成分与点焊破坏断裂样式的关系飆焊； 茸它酋激光訓焊3图7 VW GOLF V所采用的焊接方法与焊接线长度比率（在点焊中，用节距 25mm换算）4.2钢铁与非金属材料接合作为车身轻量化的最有力手段是，以铝为首的轻量化材料的置换方法。在欧 洲2003年款奥迪A8等全铝车身出现了，但是，由于材料成本过高，因此，只是 用于一部分高级车型上，并没有看到它的扩大使用。另外，与全铝车身并行的、 被称之为混合车身

24、的车身构造车辆也开始了市场的销售。例如，1999年款奔驰CL,它就是最初采用了材料混合车身构造的市场销售车。前车身与下车身由钢铁 构成，主要是在车顶棚和上车身上使用了铝材料。 白车身混用了钢和铝，这是它 的特征（。预计今后，材料混合化可以比较容易地使用到可能实现的覆盖件和 外板上，对覆盖件和外板件的铝材料和树脂材料的采用将会得到大幅度地扩展。 这样的话，在部分的使用铝材料的情况下，它所存在的课题就是与钢板接合部位 的可靠性问题。例如，将铝与钢板直接进行焊接的话，在焊接部位就会形成脆弱 的Fe/AI的金属间化合物，接合强度下降。为了解决这一课题，对各种各样的接 合方法进行了研究。表1表示的是各种接合方法。也包括了铜之间的接合方法。 铜板与铝的不同材料接合方法有自动贯穿铆接（SPR和冲压接合（TOX。特别 是并用SPF与接合的接合方法为当前的主流。表1各种接合法分类接合法铜板之间接合铜板-铝的接合熔融焊接阻抗点焊（RSWX激光焊（LBW开发中（铆焊）弧焊开发中（铆焊）机械性接合冲压接合（TOXOO自动贯穿铆焊（SPR-连接接合机械接合（连接+机械性接合）-焊接连接（连接+点焊）OX压接摩擦压接OO摩擦搅拌接合摩擦搅拌接合（FSW开发当中O:主要焊接法，O虽然少，但有实际应用事例，X：不能焊接