有助于轻量化的汽车用钢板的开发现状与未来展望

1、有助于轻量化的汽车用钢板的开发现状与未来展望1 前言21世纪可以说是可以开发与环境共生技术的世纪。在环境问题当中最引人注目之一的是CO2的排放。贯穿汽车生涯的CO2的排放，有89成是在汽车行驶当中所排放出来的，降低燃耗可以对减少CO2排放量做出较大的贡献，这一点是众所周知的。为了减少CO2，在开发像混合动力车和燃料电池车那样的新动力和开发改善发动机燃烧效率技术等同时，车身轻量化也依然是一个重要的目标。本文中，在介绍目的在于轻量化汽车用钢板的研究开发现状的同时，也提及到对未来的展望。2 车用钢板有关车身板的开发是在二个大的方面所被推进的。一个是满足外板板上所见的耐压痕性和耐面应变性两特性的钢板开

2、发。再一个是为了确保空间，可以进行严格形状成形的超成形性钢板的开发。超成形性钢板在从轻量化的角度来看，寄予的希望较小，因此，在此不与涉及，请参考即报。满足耐压痕性和耐面应变性两特点钢板的代表是BH（Bake Hardening）。BH钢板在冲压加工时，YP低，容易进行冲压加工，根据成形后的涂装固化处理，成为YP变高的、合理的钢板。钢板的BH原理是，固溶C、N根据BH处理，转位固定，在转位动态中抵抗，提高屈服应力的现象。但是，该现象由于是即使在接近室温的较低温度下，如果经过一段时间后也会发生，因此，需要限定固溶C、N的上限，使其到进行冲压为止，不会明显产生该自然时效现象。如果产生自然时效的话，那

3、么在冲压时就会出现在屈服点延伸（YP-El）中引起的被称之为拉伸应变（St-St）的条状表面缺陷，就不能保证作为汽车外板用的表面质量。原来的BH钢板，BH处理后的BH量的下限为30MPa，但是，在不出现St-St的条件下，将BH量的下限提高到什么程度为好，这是现在所存在的课题。在最近，开发了灵活利用了在常温下，Mo控制C的动态、在BH温度下其相互作用减弱、可以保证高BH量这种C与Mo相互作用的温度依赖性的新型BH钢板。图1所示的就是这种钢板，它控制了YP-El的发生，获得了较高的BH，并获得了成功。将来的BH钢板目标是将下限提高到60MPa，比现有的BH钢板再降一半。图1 涉及BH量-YP-E

4、l钢型的影响但是，St-St的发生由于是在常温下，C运动，转位固定所造成的，因此，如果在冲压之前，由表皮光轧引入可动转位，就可以避免St-St。如果将来能够确立为了获得较高的BH，将含有大量固溶C的钢板，在表皮光轧之后，以短时间进行冲压加工SCM（Supply Chain Management）的话，那么就可以认为下限60MPa的BH量是可以比较容易实现的。3 在中、高强度区域成形性好的构造用高强度钢在选择材料时，根据部位的成形样式，如图2所示的那样来决定是应该适用于重视延伸性型、重视扩孔性型还是作为折衷的延伸-扩孔性平衡型的材料。这些特性如图3所示，根据材料的组织会受到很大的影响，因此，为了

5、获得必要的特性，组织的控制是很重要的。图2 延伸-扩孔平衡的模式图重视延伸性型的代表是，残留奥氏体钢（TRIP钢），在加工当中，钢板中残留着的奥氏体在加工诱发马氏体中变态（TRIP现象），变态部位被强化，变态不集中地推进邻接部分的变形，因此，提高了均匀延伸性，它是一种可以获得高延展性的钢。作为薄板所使用的TRIP钢，考虑到焊接性，以C量在0.2%以下的低炭素钢为基础，但是，在室温条件下使奥氏体残留的话，需要在奥氏体当中，使1%左右的C量浓化。为此，就需要在伴随铁素体、贝氏体变态的进行，将未变态的奥氏体中浓化了的C作为渗碳体而不被析出上下功夫，添加提高渗碳体自由能量的Si、Al等元素，以此来抑制

6、渗碳体的析出。延展性是根据残留奥氏体量于其中所含有的C浓度的增加来提高的，但是，添加的C量是一定的，如果奥氏体量多的话，其中的C浓度就下降，因此，奥氏体的量要适当，一般调整在从百分之几到百分之十几。图3 涉及强度-延伸性平衡以及强度-扩孔性平衡的组织影响TRIP现象造成的变态量根据变形方式而有所不同，如图4所示，与承受收缩法兰成形的法兰部位相比，承受等2轴成形的壁部更容易引起加工诱发变态，因此，法兰部位的材料比较容易流入，壁部硬化的结果是TRIP钢不仅值低而且显示出出色的深拉深性。另外，TRIP现象在冲撞时的能量吸收和抑制疲劳时的龟裂传递方面也具有良好的效果，它被确认具有良好的冲撞安全性和疲劳

7、特性，是一种有希望成为汽车构造用材料的钢板。但是，TRIP钢是为了抑制前面所述那样渗碳体的析出，添加了Si，因此，退火时在表面生成Si系列的氧化物，造成热渗镀锌的浸湿性以及合金化的延迟，它作为电镀钢板的实用化较晚。但是，最近，用新的成分设计，控制钢板表面界面反应，解决浸湿性以及合金化问题，并且，在此基础上确保了在热渗电镀工艺中难于保证的残余奥氏体量以及其中的C浓度这一方面获得了成功，开发出了在耐腐蚀方面具有良好表现的合金化镀锌TRIP钢。图4 涉及由变形造成残留奥氏体量减少的成形样式的影响超过TRIP钢，作为高延伸性高强度钢的开发，对TWIP钢进行了研究。所谓的TWIP就是伴随加工诱发双晶的变

8、形，原理是添加25%左右的Mn，使组织成为奥氏体的钢板在变形时，伴随双晶变形，加工硬化，与TRIP同样地提高均匀性。该钢板作为强度-延伸性平衡TS：900MPa-El：70%，可以期待它具有以前所没有的出色特性，但是，在制造性、成本、作为构造用材料的性能特性上还存在问题，这一点将会成为今后所需要解决的一个课题。另外，在重视扩孔性的情况时，使用单相组织钢。在扩孔加工上所具有代表性的延伸法兰加工部位，大多是端面冲孔之后就进行加工。在冲孔破断面上产生有显微裂纹。一般来说，所谓的对延伸法兰加工性具有良好特性的材料就是破断面显微裂纹较浅的材料，较深显微裂纹的，会招致扩孔性显著的恶化。抑制较深显微裂纹生成

9、的手段就是组织的均匀化。关于显微裂纹的生成部位，要多观察硬的相与软的相之间界面的软的一侧。也就是说，应该考虑到，如果硬的相与软的相的硬度差大的话，就会在软的一侧的界面附近引起应变的集中，容易发生较深的显微裂纹。硬相与软相相混，其硬度差较大的材料可以举出铁素体+珠光体钢、DP钢、残留奥氏体钢等，这些钢的扩孔性较差。另外，作为组织不均匀性小的钢，可以举出铁素体单相钢、贝氏体单相钢。这也就是说，在高强度钢板当中，贝氏体钢（包括贝尼迪克铁素体）具有优良的强度-延伸法兰加工性平衡。作为延伸-扩孔性平衡型的钢板，开发了将母相作为延伸性优良的铁素体单相或者是贝尼迪克铁素体单相，根据由不容易引起强度不均匀性的

10、微细析出物强化来实现高强度化的钢板。例如，开发出了在热轧冷却时以及卷取时使TiC或（TiMo）C大量析出的贝尼迪克铁素体组织的780MPa级的热轧钢板和以IF钢为基础使Cu析出的590级的钢板。再有，还开发了对属于延伸重视型的DP钢和TRIP钢进行了改良的平衡型钢板。关于DP钢板，根据在上述热轧冷却时，将铁素体部分进行细微析出的析出物进行强化，以此来降低与第2相的硬度差，开发了提高延伸-扩孔平衡的钢板。另外，关于TRIP钢，它与原来不同，不是铁素体、贝氏体、残留奥氏体3相组织，而是将贝氏体作为母相，膜状地23%分散残留奥氏体的组织钢板，据报告，它具有出色的延伸-扩孔性平衡的特点。扩孔性出色的T

11、RIP钢的构思是，根据以贝氏体为主相，使组织均匀化，根据减少奥氏体的残留量来增加奥氏体的稳定性，在冲压加工时，不太引起加工诱发变态地、不增加母相与第2相硬度差地抑制显微裂纹的生成，在其之后的延伸法兰加工时，发现TRIP效果，抑制龟裂的发生和传播，提高延伸法兰加工性。关于高炭素钢，根据将贝氏体组织的钢板进行球状处理，使渗碳体均匀地细微分散，以此来达到提高延伸-扩孔性平衡的目的。但是，关于扩孔性我们知道，根据在冲孔面进行机械加工，减少冲孔加工的余隙，可以明显地提高扩孔性。也就是说，在更加高强度钢化的进程当中，为了确保扩孔性，在进行材料特性改善的同时，也希望对扩孔部分的加工技术进行革新。4 超高强度

12、区域辅助加强部位材料用高强度钢与热冲制造部件的超高强度化在此所说的辅助加强部位材料的意思是，像保险杠、缓冲梁、车门柱的加强那样部件，普通在很大的应力状态无用，当发生冲撞时，不使其产生很大的变形和破损断裂，以抑制对方物体突入的部件。在这样的部件当中不断地采用1000MPa超高强度钢，但是，它在成形能和形状冻结性上还存在问题。在这当中，开始引人注目的技术是热冲。一般来说，在日本被称之为热冲，在其他国家被称之为Hot Stamping.图5表示的是其制造工艺。它是将钢板加热到变态点以上，在冲压加工工序根据模具的脱热进行淬火，以此来获得高强度的技术，它的特点是可以获得极其出色的形状冻结性。图6表示的是

13、用热冲所成形的部件与冷成形部件的形状冻结性的比较。热成形部件完全没有回弹，可以认为其原因在于是在模具内，在加压状态下发生变态的结果。另外，由于是在高温状态下的成形，因此呈现出良好的成形能，可以容易地制造出像中间柱的加强那样形状复杂的部件。如图7以及图8所示那样，热冲技术，满足了最终材料开发的目标特性。也就是说，这些图表现出根据材料与其加工方法的有机结合，实现了灵活运用了出色特性的部件设计制作。图5 热冲部件的制造工艺图6 热冲部件与普通冲压部件的形状冻结性比较图7 强度-延伸性平衡的模式图与热冲材料的位置图8 强度-形状冻结性延伸性平衡的模式图与热冲材料的位置由于奥氏体区域的值一般大多下降1，

14、也不能高效率地进行润滑，因此，热冲成形在深拉深成形方面还存在问题。所以，特别是对有关要求深拉深成形的部件，也采用将在冷冲当中进行深拉深成形的部件，加热到奥氏体温度区域，热冲成最终形状的方法。另外，作为对热冲部件附加耐腐蚀性的方法是使用镀铝钢板。纯铝的溶点是660oC，以淬火强化作为前提的热冲，由于必须加热到Ae3变态点以上，因此认为是不可能适用镀铝钢板。但是，根据控制加热速度，钢板的Fe与电镀的Al进行合金化，抑制电镀的熔融，在冲压时，电镀大致可以以固相状态成形，这一点已经得到了确认。在这时，根据适当地控制被成形的、多层构造的Fe-Al合金相，就可以获得出色的耐腐蚀性，这也是明确的。另外，镀铝

15、钢板没有氧化皮剥离，因此，它也具有节省了除锈工序的优点。为了使用熔融镀锌钢板确保耐腐蚀性，将温度加热到变态点之上十分困难，因此，对将被称之为Semi Hot Stamping的加热温度控制在500700oC的冲压技术进行了研究。在这种情况下，形状冻结不及热冲，但是，与普通冲压相比得到了明显地改善。但是，根据报告表明，由于不能用淬火来强化，因此，强度为8001000MPa的水平，将来也许能够达到1200MPa。但是最近，也有报告说，钢板也有可能具有出色的耐腐蚀性。现在，热冲用于具有1500MPa级强度的辅助加强部件的制造上，今后将扩展应用范围，将对应用部件的展开将能达到什么样的范围进行估计。另外

16、，为了促进热冲技术的普及，实现提高生产性的的目的，将继续进行有关的开发研究。5 特殊钢板作为实现轻量化有效的钢板，可以例举出低比重钢板。该钢板与文字的表述一样，就是能够直接减轻重量的材料，与其它低比重材料的不同之处在于，它的本质特性就是以铁为基础，因此，它在焊接性和成形性上有着很大的不同优点。低比重钢板的研究是由Max Planck的钢铁研究所所致力开展的，在添加6.5%的Al，将比重降低了9%的极低炭素钢中添加Ti、Nb、B等，由此来提高延伸性，在440MPa获得了36%的全伸展率。但是，如果添加超过这以上的Al的话，将会生成规则相和Fe-Al的金属间化合物，招致明显的成形性恶化，因此，它的轻量化是有限度的。另外，还开发了在上述TWIP钢中分别添加3%左右的Al、Si，以图实现高强度的钢板。在这种情况下，它的延伸性呈现出了高达60%以上的出色的成形性，但是，在钢板的制造性上还存在着问题，它需要对现有设备进行大幅度地改善，为了轻量化，它的成本增加是否能够接受，这将决定实用化成否。6 结束语为了实现轻量化，进一步地扩大薄钢板的使用，与在此所介绍的材料开发并行的成形技术和接合技术等利用技术的开发是必不可缺的。特别是针对有关妨碍高强度化的焊接强度问题，需要贯穿技术。如果能够根据机械接合