1. 汽車材料變化的主要特點
日本汽車產業(yè)發(fā)展始終是依靠技術領先來實現(xiàn)的。20世紀80年代以后，日本汽車已經開始銷往全世界，可靠的動力性、極強的經濟性和先進的電子操縱系統(tǒng)帶來的極其便利的使用性能使日本汽車在世界市場極具競爭力。這種變化是和汽車產業(yè)在材料應用方面的先導作用密不可分的。根據(jù)20世紀90年代以后汽車材料的應用特點，不難看出日本汽車產業(yè)發(fā)展中材料應用的主要變化。影響汽車制造的主要因素有兩方面：一方面是汽車產品自身結構的設計技術，世界主要發(fā)達國家汽車制造企業(yè)都具有大規(guī)模的研發(fā)中心，汽車純理論研究成果并不顯著，相反汽車結構設計和越來越先進的電子技術的廣泛應用成為汽車產業(yè)領先發(fā)展的標志；另一方面就是汽車材料技術的應用。材料技術應用的主要特點是汽車加工工藝性合理化、安全性、輕量化以及環(huán)保性。
1.1 工藝性及加工性材料
汽車設計技術的發(fā)展要求材料技術相應得到提高。復雜、先進的設計結構和合理有序的加工工藝性能之間存在一定的矛盾，理想的結構設計必然會給工藝制造帶來一些不合理因素。隨著汽車市場飛速發(fā)展，要求汽車行駛速度和安全可靠性能不斷提高。提高穩(wěn)定性下的汽車行駛速度必須通過提高汽車動力性能加以解決，但受汽車結構空間限制，不可能通過擴大結構、加大發(fā)動機缸數(shù)來實現(xiàn)其高動力性，因此解決的方法只能是不斷提高材料強度和加工精度，以此來提高零部件運行性能，減少動力損耗，提高輸出動力。因此，材料加工合理性成為關鍵。日本在提高材料加工應用性方面采取鋼鐵公司和汽車公司聯(lián)合研制、合作開發(fā)模式。汽車制造公司一般只向鋼鐵公司提出產品性能要求和加工工藝要求，具體材料的化學成分及機械特性等則由雙方共同確定，鋼鐵公司為滿足汽車公司要求，主動在鋼廠研究機構設立完備的汽車材料試驗設備。在日本最大的鋼鐵制造企業(yè)——新日本鋼鐵株式會社技術中心及各鋼鐵制作所建立了比汽車制造工廠更完善的試驗室，試驗設備從先進的光譜金相組織分析儀、拉伸性能試驗機、高溫滲碳爐、鍛造設備到試驗用2t冶煉電爐等。新日鐵公司向豐田、日產等汽車公司提供的汽車鋼材在此進行各項試驗，有些汽車企業(yè)所必須進行的試驗項目在鋼廠也代替完成。汽車用鋼材主要分兩大類，一類是棒線材結構鋼，另一類是板材沖壓成形加工材料。以下重點介紹在改進工藝性方面，日本鋼廠新開發(fā)的兩種新材料。
1.1.1 非調質鋼
汽車上鍛造用特殊鋼（國內稱為優(yōu)鋼）的傳統(tǒng)生產工藝為棒鋼→切斷→加熱→鍛造→熱處理→機械加工。由于特殊鋼加熱鍛造后強度下降，鍛造完成后必須進行熱處理調質處理，因此也將特殊鋼稱為調質鋼。為進行調質處理，一般鍛造廠中都有一個很大的熱處理車間，熱處理工藝成本高，環(huán)境污染，人員需求多。日本熱處理調質(QT)費用平均為250美元／t，大約占鋼材成本的30％。國外由于人工成本和能源電幾力成本較高，熱處理費用占加工工藝總成本比例逐步提高。為提高汽車特殊鋼加工工藝性能和降低成本，日本新日鐵公司和豐田、日產等汽車公司合作開發(fā)了非調質鋼材料。
應用對象
日本非調質鋼是相對調質鋼而言，指不要進行調質處理的特殊鋼。應用對象是軸類件和冷鐓加工零件。主要產品為汽車前梁（前軸）、曲軸、轉向節(jié)、半軸、轉向臂和冷鐓加工使用的螺栓、螺母汽車標準件等。
主要特點
汽車軸類零件主要特點都是需要熱鍛造和冷鍛加工，熱鍛前加熱溫度最高達1250℃，普通調質鋼在經過加熱后強度大幅降低，一般調質鋼加工前的材料抗拉、強度為900 - 1 000 MPa，鍛造加熱到1000℃以上，鍛造完成后鍛件強度下降到200-300 MPa，經熱處理淬火處理后，一般可以達到1 700~2 000 MPa，再經過回火處理使強度恢復到900-1000 MPa的要求。淬火加回火熱處理工藝稱熱處理調質處理。鍛造廠對鍛件進行熱處理調質處理需要大型熱處理爐，現(xiàn)代汽車生產規(guī)模不斷擴大，對需進行熱處理加工零件數(shù)量不斷增多，因此熱處理設備也在不斷擴大。大型熱處理設備需要大量電力，對環(huán)境等也產生影響，而且熱處理設備必須常年運行，浪費大量能源，受能力限制往往還制約企業(yè)臨時增產計劃的完成。而非調質鋼由于不需要熱處理工藝，它的開發(fā)、應用對減少生產工藝具有重要意義。
使用非調質鋼數(shù)量
日本近80%以上汽車企業(yè)已開始采用非調質鋼，絕大多數(shù)企業(yè)已完全取消了熱處理工廠。2004年日本汽車特殊鋼用量為319萬t，其中非調質鋼為204萬t，占64%。采用的零部件主要以汽車結構件、保安件為主，汽車底盤、部分重要傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)中主要零部件都開始使用非調質鋼（見表1）。
1.1.2 MZ鍍膜鋼板ZINKOTE MZ（P-Steel）
MZ鍍膜鋼板是日本新日鐵公司專利產品，由新日鐵廣田和八幡制鐵所制造。
主要特點
a.環(huán)保性能優(yōu)良。MZ鋼板幾乎不含任何有害環(huán)境的元素，在汽車使用和回收中不會給環(huán)境造成污染。
b.成本低。因加人Mg的效果，即使薄鍍鋅層也有良好的耐腐蝕性、沖壓性和焊接性。
c.適用于輕量化技術（薄鍍鋅層）。易于鋼板高強度化和采用激光焊接。
鍍膜構造
MZ鋼板表面經電鍍處理后鍍鋅，鍍鋅層為30g/m2，鍍鋅層上面再附著兩層膜，里層是含Mg磷酸鹽處理層，外層是Mg無機膜。MZ鍍膜構造主體是EG(30 g/m2)+2層鍍膜，其效果相當于電鍍鋅(EG)鋼板60g/m2鍍鋅量。因此，MZ鋼板特殊構造使其具有良好的耐腐蝕性、沖壓性和焊接性。
MZ鋼板和普通電鍍鋅(EG）鋼板比較
a.耐腐性。
MZ鋼板開孔處最大腐蝕深度為0.45 mm，低于電鍍鋅的0.52 mm。日本馬自達公司應用MCT II模型方法對門板壓合后開孔處進行的腐蝕試驗表明，MZ鋼板最大腐蝕深度為0.4 mm，低于電鍍鋅(EG60)0.6 mm水平。經外表面腐蝕試驗分析，MZ鋼板最大膨脹幅度為0.8 mm，EG60為1.1 mm，表明MZ板優(yōu)于電鍍鋅板。
MZ鋼板耐腐蝕性優(yōu)異的主要原因是加人鎂磷酸鹽后的鋅具有氧化還原抑制作用，鋅腐蝕生成物ZnC12+4Zn(OH)2具有保護作用，同時雙層鍍膜還起到兩重保護作用。
b.生產性。
MZ鋼板摩擦因數(shù)為0.075-0.125，低于EG60的0.125-0.225。摩擦因數(shù)低可保證具有良好的沖壓成形性能。特別是用深沖零件沖壓比較，MZ鋼板的沖裂數(shù)遠低于EG60，是EG60的1/10.
連續(xù)多點焊接試驗分析表明，MZ鋼板適應電流范圍大，可在8.5~10.5 kA，EG60僅在9.8-10.8 kA. MZ鋼板連續(xù)多點焊接數(shù)也優(yōu)于EG60板。
油漆處理后鋼板表面變化情況分析表明,MZ鋼板在鋼板外表面形成高密度微細結晶，可確保涂裝性能及外觀防銹性能。
目前，在一汽轎車公司生產的Mazcla6轎車車身外板正使用MZ鍍膜鋼板。其良好的沖壓性能，可靠的焊接性和長久的耐腐蝕性得到好評。
1 .2 安全性及輕量化應用材料
日本汽車材料開發(fā)應用的另一特點是從汽車安全性及輕量化方面充分考慮使用高強度材料。汽車用鋼板材料主要是通過提高鋼板抗拉強度來降低鋼板厚度，進而達到在滿足汽車車身所需剛性變形條件下，最大限度減輕鋼板質量。日本20世紀90年代開始研究高強度鋼板，抗拉強度逐步提高，提高到1 180 MPa，最新開發(fā)的熱沖壓材料最大Rm,值可達1600 MPa。以下介紹兩種日本開發(fā)的代表性高強度材料。
1.2.1 汽車用高強度材料
使用對象及變化
高強度鋼材使用對象分為兩部分，一部分是汽車車身、減振及車輪用部件，另一部分是底盤和排氣系統(tǒng)。如：需要具備防碰撞功能的零件，汽車門內防撞梁，汽車前后保險杠防撞板，車身A柱,B柱，發(fā)動機支撐梁，儀表板支架，門檻加強板，汽車座椅骨架等車身部件；車輪輪輻和輪輞高強度鋼板；高強度彈簧、高碳傳動軸管、高強度發(fā)動機螺栓等。汽車結構件用各種特殊鋼強度一般都達到1000 MPa，如汽車轉向節(jié)、轉向扭桿等。圖1列出日本高強度材料到2014年前的發(fā)展及使用預測。到2014年高強度鋼材使用比例將從目前的40%多提高到60%。高強度材料采用比例急劇增加、汽車材料高強度化將成為汽車發(fā)展的重要特征。
使用狀況
汽車高強度材料的開發(fā)始于1980年，由于第二次世界石油危機后美國頒布CAFe法規(guī)，開始限制燃油標準，日本也于1979年制一定了燃油目標公示值標準，由此開始了一般高強度材料、IF-BH鋼高強度材料以及HOT-DP熱一軋支撐框架類用高強度材料和HOT-TRIP高強度支架用熱軋材料的應用。20世紀90年代開始，美國公布了PNGV大氣凈化法規(guī)，日本在1993年也提出了新的燃油標準和防碰撞安全試驗標準，使得高強度鋼板、能有效吸收碰撞能量材料等相繼開發(fā)使用。2000年在日本京都召開了地球溫暖問題會議，就防止地球溫暖化發(fā)表了京都會議宣言。從此，高強度材料的應用開始迅速普及。
從高強度材料使用預測來看，高強度材料分為340~390、390~440、440~540、590 MPa以上、780 MPa以上、980 MPa以上6個等級。
按強度等級分類，主要汽車零部件使用材料強度如下。
340390 MPa車身用鋼板、發(fā)動機罩內板、行李箱內板、輪罩板、車門板、水箱外板等。
390~440 MPa發(fā)動機罩外板、行李箱外板、翼子板、前底板、門檻加強板等。
590 MPa級：發(fā)動機支撐梁、發(fā)動機支架、門框加強板、中底板加強板、底板加強梁、輪輻等。
780 MPa級：轉向支架、輪輞、后上門框加強板等。
980 MPa級：門內板防撞梁、汽車座椅骨架、保險杠防撞梁等。
詳細內容見表2。
今后，汽車高強度材料使用主要是向高性能、高強度材料發(fā)展，進一步滿足輕量化要求，提高抗沖擊性能，同時進一步提高工藝加工性能。
主要開發(fā)材料特征如下。
鋼板應用開發(fā)。主要用于發(fā)動機罩板，具有高強度、耐熱性能。
b:高強度DP、TRIP鋼。使用強度在780 MPa以上材料，主要用于發(fā)動機支撐梁等。
c.高強度鋼板。強度為980~1 180 MPa的材料，主要應用在汽車保險杠加強梁等。
d.高強度熱軋鋼板。較厚鋼板一般采用熱軋材料，廣泛使用的熱軋鋼板強度值在440 MPa以下。日本開發(fā)的熱軋鋼板強度為590;780 MPa的材料將愈來愈多使用在加強梁等部件中。
e.輪輻、輪輞用高強度材料。目前，輪輻材料強度一般在370 -440 MPa ;輪輞材料強度在440-590 MPa。今后，輪輻將更多采用590 MPa以上材料，輪輞采用780 MPa以上材料。
熱軋材料一般較重，強度提高對減輕質量、實現(xiàn)汽車輕量化有明顯效果。如車輪鋼材，輪輻材料強度如果從370 MPa提高到590 MPa，相對質量可減輕19%；輪輞材料強度從440 MPa提高到780 MPa，材料質量可減輕16%.
1.2.2 高溫熱沖壓成形鋼板
高溫熱沖壓成形鋼板是新日本鋼鐵株式會社和歐洲ARCELOR共同開發(fā)的超高強度材料，強度值可達到1600 MPa，目前在歐美和日本主要汽車制造企業(yè)開始使用。
使用對象和目的
超高強度鋼板使用對象主要為防撞零件，如車門防撞桿、保險杠加強梁,A柱,B柱、門框加強梁等。防撞零件一般要求強度較高，日本和歐洲開發(fā)的超高強度鋼板彌補了這一缺欠。
特征
鋼板強度提高后，面臨鋼板沖壓性能較差和回彈度增大兩個問題。
超高強度鋼板加工方法如下。
鋼板→加熱（加熱爐停留5 min）→加熱鋼板(900~950℃、200 MPa以下）→沖壓（在沖壓機中模具內實現(xiàn)淬火處理）→拋丸處理（去除氧化皮）→成品（1600 MPa）。
為減少熱軋鋼板熱加工易生成氧化皮阿題，在超高強度鋼板表面上進行鍍鋁處理，即形成超高強度鍍鋁鋼板。
日本開發(fā)的超高強度鋼板有以下特點。
a.在高溫環(huán)境下質地柔軟，拉深成形良好，保持預訂形狀無回彈，成形后殘余應力較小。
b.可在保持良好成形性的同時生產各種強度級別的鋼板（通過調整化學成分）。
c.可一次成形，成形負荷較低。熱沖壓（成形非常柔軟）廠在300 t左右沖壓機上；980 MPa以上的鋼板成形在2 000-3 000 t沖壓機上。
主要性能
a.可獲得極高強度材料。熱沖壓材料強度可以達到1600 MPa。該強度下材料可以保持良好的淬透。
b，淬火前后機械特性明顯，日本某公司實際測定特性值 .如表3。
c.可保持良好的韌性，沖擊韌度達到80 J/cm2（溫度在0100℃），低溫脆性也較好。
d.經過鍍鋁處理的超高強度鋼板耐腐蝕性非常好，并適合于涂裝加工，其中耐腐蝕性能優(yōu)于GA板。
e.焊接性能較好，可實現(xiàn)多點焊接，焊接部位強度穩(wěn)定。
今后課題（對于裸材超高強度鋼板）
熱沖壓鋼板在使用時存在以下問題。
a.熱沖壓成形容易因脫碳導致鋼板強度降低、強度不勻，并在鋼板表面產生氧化皮。該氧化皮易附著于模具上，進而附著在鋼板表面。
b.使用拋丸處理也可能殘留氧化皮和造成殘留應力。
c.需要后鍍膜等，在需要耐腐蝕性較高部位進行再處理。
由于以上原因，目前在使用超高強度鋼板時一般使用熱沖壓成形鍍鋁鋼板。
1. 3 環(huán)保性材料
隨著環(huán)保意識的增強，對汽車開始要求使用無環(huán)境影響材料。為此，日本研制開發(fā)的無鉛鋼板開始應用。汽車燃油箱由于用途特殊，必須保證燃料滲透率和可回收處理性。美國關于燃油箱標準—燃料滲透率P-ZEV要求≤0.054 g/25 h（LEV- II標準規(guī)定為≤0.5 g/25 h）。傳統(tǒng)燃油箱材料多使用鉛錫鍍膜鋼板，該鋼板可解決燃油箱耐腐蝕性和滲透性問題。但由于含鉛鋼板污染環(huán)境，又開發(fā)無鉛材料和塑料材料。塑料燃油箱由于不能完全解決燃料滲透問題，近年日本又開發(fā)了錫鋅鍍膜鋼板材料，有效解決了環(huán)境污染和滲透性問題，目前已開始使用。
錫鋅鍍膜汽車燃油箱用鋼板材料（Ecokote）是傳統(tǒng)鉛錫鍍膜鋼板的替代產品。錫鋅鋼板是在鋼板表面鍍上錫鋅合金，達到耐腐蝕和高抗?jié)B透性作用的。
1.3.1 燃油箱材料性能要求
a.內、外部高耐腐蝕性，一般要求使用15年。
b一定的容量和質量要求。燃油數(shù)量要求燃油箱具有一定體積，但為減輕質量還需要降低材料厚度。
c.良好的加工成形性，具備復雜結構成形要求。燃油箱受汽車構造限制，需要設計成一定復雜的形狀，這給鋼板沖壓加工帶來麻煩，深拉深材料、焊接材料等要求較高。
d.具有一定的剛性要求。燃油箱須耐用可靠，不易損壞。
e.極佳的抗?jié)B透性能，防止燃油滲透。
f.有利于回收處理。1.3.2燃油箱材料變化
日本主要汽車企業(yè)在使用燃油箱材料過程中，19971999年主要使用鉛鋅鍍膜鋼板材料。
2000-2002年受環(huán)境保護影響開始使用無Cr 6+鋁鋼板、鉻酸鹽錫鋅鋼板和部分鉛錫鋼板。
2003~2005年全部改成無Cr6+ 錫鋅鋼板和無Cr6+鋁鋼板。但無Cr6+鋁鋼板的鋁成本較高，2006年以后開始轉為無Cr6+錫鋅鋼板。目前，無Cr6+錫鋅鋼板已成為日本汽車燃油箱主要材料。
1.3.3 錫鋅鋼板主要特點
a.錫鋅鋼板燃油箱具有良好的抗?jié)B透性，滲透率滿足P-ZEV ≤0.054g/25 h標準。
b.錫鋅鋼板具有穩(wěn)定的成形性能。在復雜形狀時，可以通過沖壓獲得理想形狀。
c.錫鋅鋼板具有良好的抗腐蝕性能。酸性E 10試驗（45℃,3個月）表明，最大腐蝕深度僅0.3 mm。
d.錫鋅鋼板燃油箱最大壽命可達17.4 a。
e.錫鋅鋼板焊接性能優(yōu)異。連續(xù)焊接性好，電焊寬度均勻?？蛇M行錫焊，錫焊浸潤區(qū)域為180 mm2。
f.錫鋅鋼板由于不含鉛，因此無環(huán)境負荷材料，無汽車碎屑灰塵，有利環(huán)保。
2. 新材料開發(fā)特點及供應體系
2.1 新材料開發(fā)和產品開發(fā)
日本新材料開發(fā)和產品開發(fā)密切相關。每一種新材料使用都是為了滿足新產品結構要求和性能要求，所以日本材料開發(fā)由汽車企業(yè)和鋼鐵公司共同完成。一般汽車企業(yè)從新車型設計開始，鋼鐵公司就參與研制，在新車型中結合汽車新結構，提出能更好滿足需要的新材料。材料的強度標準根據(jù)汽車產品的結構設計確定。但當新車型為滿足輕量化要求時，對于相應減輕的質量，由鋼鐵公司根據(jù)材料的特性來滿足。
材料確定時鋼鐵公司必須對新材料進行各種試驗，試驗方法和試驗設備與汽車企業(yè)相同。日本汽車企業(yè)一般不對材料本身特性進行試驗，而鋼鐵公司則按汽車企業(yè)要求進行各種滿足汽車零部件使用性能的試驗。
新材料采用的主要目的是提高綜合性能。鋼鐵公司采用新材料須充分考慮成本。任何新材料的采用除必須滿足汽車性能要求外，還必須考慮不斷降低成本的因素。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藝復雜，制造時需要高級設備的方法同樣不能采用。日本汽車企業(yè)在計算成本時，一般不單純按材料價格，而是綜合工藝性能加材料成本來最終決定材料的使用。
2.2 材料供應體系
日本采購供應體系比較有特殊性，它和歐美公司單純依靠價格競爭有所不同。日本企業(yè)采購體系的主要特點是穩(wěn)定、長期、依存發(fā)展、互利。
日本汽車企業(yè)和供應商之間是相互依存、共同發(fā)展的關系。汽車企業(yè)支持供應商發(fā)展，一般汽車企業(yè)在供應商發(fā)展初期，不論在技術和還是在資金方面都給予大力支持；供應商發(fā)展起來以后，同樣給汽車企業(yè)在成本降低、技術研發(fā)等方面給予協(xié)助。供應商和汽車企業(yè)一旦合作相對比較穩(wěn)定。
鋼鐵公司和汽車企業(yè)是非常牢固的合作關系。但汽車企業(yè)和鋼鐵公司之間存在由于鋼鐵產品特殊性而導致繁雜的物流問題。日本公司一般由大商社擔當物流工作。鋼鐵公司生產的產品體積大、質量大，運輸保管需要專門公司經營。日本是通過商社建立物流配送中心，實現(xiàn)低成本、高服務的合理物流配送業(yè)務。
總之，材料價格的確定不能單純依靠材料本身價格，汽車企業(yè)需根據(jù)材料價格、加工、工藝成本、物流成本等綜合因素，決定材料的使用。
（轉載）
