提高汽车安全性——高强度薄钢板

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一般钢铁材料是根据品种确定规格，用户按规格选定并配合用途加工而使用材料。然而，汽车用薄（钢）板按使用部位的不同、分别详细要求不同的特性，汽车生产厂家提示各部位必要的性能，钢铁生产厂家供应能满足这些性能要求的各种各样的钢板。
    汽车车体结构可分为外面板、骨架结构材、底盘（车轮）部构件等类别，现针对其各自的使用环境和要求特性，介绍各种高强度钢板的开发事例。
    1.外面板——与加固材组合而进一步高强度化
    汽车钢板为了提高成形性向“柔软度”挑战，同时为了满足冲撞安全性、轻量化需求，而进行高强度化开发。由于外面板（以下简称外板）要求具有特别良好成形性的“柔软度”，除原来在烤漆后硬化的BH钢板以外，在钢板制造阶段将强度抑制在300MPa以下，但最近除开始使用340MPa强度并附加了BH特性的钢板之外，还在部分构件上使用了没有BH特性，而强度高达440MPa的钢板。要求外观漂亮的面板强度，已超越了原来在其内侧设置加固材（骨架结构件）的概念，在部分外板使用了440MPa强度的钢板，提高了自身强度。从而利用外板和加固材的整体结构，提高了冲撞安全性。
    面板包括汽车驾驶室前部和顶部盖板、后备箱盖板、车门、车轮挡板。面板今后的发展方向，一是将外板做得薄而轻，同时用骨架构件确保其强度。二是除采用外板加骨架构件的结构确保强度外，进一步提高外板本身的强度也是可能的。
    2.骨架结构件——按用途提出多种要求特性
    2.1 控制钢板强度、改进结构，实现特性最佳化
    汽车上的骨架结构件，在发生冲撞时多能起到保护乘员的作用。以严格化的安全标准和降低燃耗为背景而期待更高强度化的构件。从上世纪90年代开始，为提高汽车冲撞安全性，就开始进一步提高钢板的强度，首先是从前方冲撞（前撞）采取对策开始，然后再从侧面冲撞（侧撞）采取对策，其间还进行了安全标准的严格化，设定了偏移冲撞条件，并将冲撞速度高速化、变更偏移比例等。另外，近年还改变了冲撞位置高度、设定不同车种而实施了系列侧撞试验。
    为了提高骨架结构件的安全性，每个部位所要求的强度水平是不同的。例如在汽车车架前梁的最前部配置了冲撞时损坏的400～590MPa级钢板;而在其支持部位希望不变形，由于追加了更高强度的材料，故以最前部的塑性变形吸收冲撞能量，并防止发动机等侵入乘员空间（驾驶室及车箱内）。并且，这些部件在冲撞时要如设计（预定）那样变形，这不仅要求各部件钢材强度的最佳化、断面合理化，且还须在加固材结构设置方面进行改进。为此，结合材料高速变形特性评价，对变形行为进行了计算机模拟，还进行了实际的高速冲撞损坏试验，以谋求部件的最佳化。
    另一方面，对于侧面冲撞，为了阻止车门防护杠和侧面部骨架构件向驾驶室内变形，采用了强度达1000～1500MPa的超高强度钢板，或较厚钢板与复合钢板重叠结构。在这些构件上，要求钢板具有能成形为复杂形状。在面板的成形中，必须具有良好的深冲加工性能和凸肚成形性能。然而，骨架结构件除要求凸肚成形性之外，在切断端部进行边延伸、边冲孔（扩孔）时，还要求不产生裂纹，这就要求材料具备较好的延伸凸缘成形性（弯曲成形性）和柔软性，即具有耐局部变形的特性。为了将伴随钢材高强度化所导致的成形性劣化降至最低，周密控制钢板的显微组织是十分重要的。
    2.2 以显微组织均匀化提高复杂构件成形性
    为了提高复杂形状构件的成形性，新日铁以复合组织钢的原理为基础，利用周密的组织控制来实现材质最佳化。
    损害钢材延伸凸缘成形性和弯曲成形性等局部变形的首要因素是钢中存在的硬质氧化物（Al2O3等）杂质。调查延伸成形时产生裂纹材料的显微组织，这样的杂质引发裂纹（成为裂纹起点）的事例很多。这表明钢中硬与软的物质并存，且二者硬度差别大，在二者的边界上就易成为裂纹源。为了提高钢材的局部变形能力，在极力除去这些硬性杂质的同时，利用显微组织的均匀化来抑制硬度的波动也很重要。
    在DP（双相）钢上，由于混合了硬度差大的软组织（F等）和硬组织（M等）的复合组织，同时获得了高的强度和成形时大的延伸变形。为了在要求强度极高的骨架结构件上，获得良好的延伸凸缘成形性和弯曲成形性，与DP钢相反，须将钢板的显微组织全都控制为具有中间硬度的均匀B（贝氏体）组织。另外，除局部变形之外，还要求延伸性能时，则应组合上述2种方案而采用硬度差小的复合组织：不仅调整钢中F、B、M等显微组织的比率，而且在软的F中加入其它元素（Mn等），通过固溶强化提高硬度，这样即可获得能适应每个构件成形条件的最佳材质（即最佳显微组织）。
    现在，新日铁在保持汽车薄板≥980MPa级高强度的同时，还具有良好延性和延伸凸缘成形性。组合了这些性能的超高强度钢板，正在谋求实现钢材使用的菜单化，以满足每个构件的特性需求。
    3.底盘系构件——追求安全构件的可靠性
    承担汽车安全性的底盘系构件，是以静态支持纵弯强度为首，根据行车时的动态、外部环境而要求疲劳强度和耐蚀性等多种、且严格品质的重要安全部件。其最重要的课题，是仅靠钢材强度不能决定构件的耐久性（即长寿命）和可靠性。因此，现在一直使用较厚（≥2mm）的热轧钢材（外板为<1mm，骨架结构用构件为1～2mm厚度的冷轧镀Zn钢板）。
    新日铁长年开发并提供耐久性和加工性优良的多种多样的热轧钢板，其利用钢材高强度化，使底盘系构件实现了轻量化（薄壁化）。在旋转轮盘上，因使用了540～590MPa级的DP钢而实现了轻量化，并提高了疲劳强度。并且，为了使底盘构件同时具有所要求延性和延伸凸缘成形性，以使用F和B相的复合组织化为前提，开发了各种组织强度差小，并极力减少了硬质碳化物的780MPa级热轧钢板。
    然而，就整体而言，底盘系构件还没有如外板和骨架结构件那样利用钢材的高强度化而进行轻量化。其最重要的原因在于焊接部的疲劳强度：行车时由于不规则的振动和冲击载荷，影响弯曲转角和端部、板厚变化部位，特别是焊接端部易产生应力集中。在这样的应力集中结构上，疲劳强度不取决于钢板强度的事例很多，故难以利用钢材的高强度化来进行其结构的轻量化。
    今后，为了利用钢材的高强度化进一步促进车体轻量化，不仅需要钢材的技术进步，而且克服焊接部的上述弱点是必不可少的。现在，新日铁与汽车生产厂家合作，正在推进使焊接部高强度化和不产生应力集中的构件形状?结构在设计方面的研发。
    4.与汽车厂家协作提出多种解决方案
    新日铁的优势除具有先进的材料技术开发能力之外，还能够提供融合了结构解析技术与接合技术等多种研究领域的解决方案。从所要求形状的冲压成形可能性和改善方案的提出开始，到组合能满足所要求特性的材料?结构方案的提出，其中所要求特性包括冲撞时的吸收能和变形量、疲劳特性、刚性等，另外，在与汽车生产厂家的协作中，从车体设计的初期阶段就进行了这些作业，进一步有效组合了结构和材料，而且提出从钢材的生产到成品的贯彻始终的最佳制造工艺。