從2016年開始，在日本神戶制鋼新的中期經(jīng)營計劃“KOBELCO Vision G+”中，將飛機、汽車、船舶等運輸設(shè)備的輕量化和能源、基礎(chǔ)設(shè)施作為中長期發(fā)展領(lǐng)域，以材料、機械、電力為三大支柱強化并發(fā)展事業(yè)基礎(chǔ)，其中對輕量化要求越來越高的汽車領(lǐng)域，是發(fā)揮神戶制鋼生產(chǎn)各種材料的特長領(lǐng)域，本文針對神戶制鋼的汽車輕量化技術(shù)研發(fā)進行簡要介紹。
對汽車的要求性能不僅是設(shè)計良好、駕駛性優(yōu)良，還有油耗低、環(huán)保性好、安全性高等特性，其中先進國家為改進油耗，提高環(huán)保性和安全性，不斷強化法規(guī)法制。這些強化的法規(guī)，成為汽車制造廠必須應(yīng)對的重要課題。在油耗和環(huán)保方面，正在推進混合動力車、電動汽車、燃料電池車的普及。在提高安全性方面，正在推進防碰撞安全技術(shù)和自動駕駛技術(shù)的研發(fā)。
1.1與汽車有關(guān)的法規(guī)
在與汽車有關(guān)的法規(guī)中，首先關(guān)注的是油耗和排放。圖1是各國關(guān)于汽車CO2排放量規(guī)定的變化，可以看出，各個國家對CO2排放量的規(guī)定值都在逐年嚴(yán)格化。目前，歐洲和日本的規(guī)定比其他各國都要嚴(yán)格，2020年以后，美國、中國的法規(guī)也將大幅度強化。
CO2減排換言之，就是降低油耗。車體越重，行駛單位距離的CO2排放量越大。為了達到CO2排放量的規(guī)定值，必須減少CO2排放量，而減少CO2排放量有兩種方法。一種方法是，降低發(fā)動機油耗和電動化等提高動力系統(tǒng)功能，從而降低CO2排放量。混合動力車、電動汽車等環(huán)保型汽車就屬于這種方法。
另一種方法是，汽車本身輕量化。這種方法不僅對汽油發(fā)動機車的CO2減排，而且對降低環(huán)保型汽車增重也是有效的方法。
在汽車安全法規(guī)方面，美國和歐洲走在了前面，對汽車碰撞安全性要求進行正面微小偏置碰撞試驗和柱狀物側(cè)面碰撞試驗等更加嚴(yán)格的碰撞試驗。日本和中國也將緊跟歐、美的步伐，采用更加嚴(yán)格的碰撞安全性標(biāo)準(zhǔn)。因此，汽車制造廠應(yīng)使汽車的碰撞安全性達到最高標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)歐、美、日、中等主要汽車市場的要求。
提高汽車碰撞安全性的另一個方法是預(yù)防碰撞。以自動駕駛為代表的預(yù)防碰撞技術(shù)是所謂的“主動安全性（Active Safety）技術(shù)”，是可以降低事故發(fā)生概率的技術(shù)。前述的碰撞安全性是“被動安全性（Passive Safety）技術(shù)”，是一旦事故發(fā)生時,保護乘員安全的技術(shù)。即使自動駕駛得到普及，也需要一旦事故發(fā)生時，保護乘員安全的技術(shù)。因此，在將來，汽車碰撞安全性也是汽車重要的性能要素。
1.2有關(guān)汽車法規(guī)的應(yīng)對和鋼鐵廠的作用
汽車制造廠要研究解決的兩個課題是：“降低油耗、提高環(huán)保性”和“提高安全性”。車體輕量化對解決這兩個課題，都是非常有效的方法（如圖2）。但是，在降低油耗、提高環(huán)保性方面，混合動力車和電動汽車由于配置蓄電池，使車重隨之增加。
為了提高碰撞安全性，需要增加安全裝置和對車架進行加固，這些都不可避免地增加了車重。為解決這些問題，汽車車體本身的輕量化是重要的研究內(nèi)容。可以預(yù)計，今后對車體輕量化的要求，將會越來越高。汽車輕量化的方法大致可分為“材料置換”、“優(yōu)化工藝”、“優(yōu)化結(jié)構(gòu)”等三大類。其中汽車用材對“優(yōu)化工藝”和“優(yōu)化結(jié)構(gòu)”有很大影響，所以，“材料置換”是汽車輕量化的關(guān)鍵方法。
目前，“材料置換”有兩種方法：一是“使汽車中大量使用的鋼鐵材料高強度化，從而減少鋼鐵材料用量”的方法；二是“采用比鋼鐵輕的鋁材等材料，降低車體重量”的方法。神戶制鋼是生產(chǎn)鋼鐵和鋁材的企業(yè)，所以在“鋼鐵材料高強度化”和“鋁材應(yīng)用”兩個方面進行研究開發(fā)。此外，神戶制鋼還開展了“材料多元化”的研究，通過將鋼鐵材料與鋁材緊密接合，獲得更有效的輕量化效果。同時，還進行了支持“材料多元化”的“接合技術(shù)”等解決方案的開發(fā)。
2汽車對材料性能的要求和應(yīng)對技術(shù)
圖3是汽車車體重量的構(gòu)成比例。重量比例最高的是車體覆蓋部件，約占車體重量的40%。其次是懸簧底架、底盤、傳動系統(tǒng)。神戶制鋼生產(chǎn)可使這些部件輕量化的
，促進汽車輕量化。以下對神戶制鋼生產(chǎn)的汽車輕量化用線材、條鋼和薄板進行簡要介紹。
2.1汽車輕量化用線材及條鋼
使用線材及條鋼制成的汽車零部件種類很多。其中使用神戶制鋼線材、條鋼制成的汽車零部件主要是動力傳動系統(tǒng)和車輪總成。一輛汽車使用的線材及條鋼制成的零部件重量約為200kg，所以減輕這些部件的重量，對汽車輕量化起很大作用。
表1是線材、條鋼制品高強度化產(chǎn)生的輕量化效果。高強度化可降低閥簧的高度，使螺栓小型化、細徑化，減少懸架彈簧的圈數(shù)以及減少鋼簾線用量。另一方面，部件高強度化帶來耐疲勞性、耐久性、加工性等強度以外的特性要求等問題，這些問題必須一同解決。
2.1.1閥簧高強度化
閥簧的使用條件非常苛刻。閥簧在1min內(nèi)要反復(fù)伸縮幾千次，汽車行駛10萬公里，閥簧要反復(fù)伸縮1億次。為使汽車發(fā)動機高效率化，要求發(fā)動機實現(xiàn)“高功率”、“低油耗”、“小型化”。如圖4所示，閥簧的小型輕量化是實現(xiàn)發(fā)動機上述要求的重要因子，為此，閥簧用線材必須高強度化。
神戶制鋼為應(yīng)對閥簧用線材高強度化的要求，幾十年來一直進行閥簧用高強度化線材的開發(fā)。現(xiàn)在，神戶制鋼已經(jīng)開發(fā)出第三代閥簧用線材KHV12N，并進行批量生產(chǎn)。KHV12N閥簧比1980年開始生產(chǎn)的傳統(tǒng)鋼閥簧，減輕重量50%（如圖5）。由于閥簧的高強度化、小型化，不僅使閥簧，而且使發(fā)動機小型化、輕量化。對汽車整體的輕量化起了很大作用。
另一方面，閥簧用線材的高強度化，使閥簧鋼絲直徑變細，所以必須同時解決提高閥簧的疲勞強度問題。原因是，閥簧鋼絲直徑變細，使夾雜物對疲勞強度的影響增大。對疲勞強度影響較大的夾雜物是SiO2等非金屬夾雜物。解決這個問題的方法是，在煉鋼階段，通過對夾雜物成分的精確控制，使夾雜物低熔點化，在軋制中使夾雜物小型、無害化。
2.1.2螺栓高強度化
螺栓高強度化不僅可使螺栓本身小型化，而且有助于組件和汽車的小型輕量化，圖6是螺栓高強度化的發(fā)展變化。神戶制鋼已經(jīng)完成了強度為1300-1400MPa級螺栓用鋼的開發(fā)，并實現(xiàn)了實用化。現(xiàn)在正在進行1600-1700MPa級螺栓用鋼的開發(fā)。這種高強度螺栓用鋼開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)是，在提高強度的同時，保證良好的抗延遲斷裂性的成分設(shè)計和最佳熱處理制度。
2.2汽車用薄板
薄板主要用于汽車的車體。車體大致分為“面板、覆蓋件”和“車體構(gòu)架”兩大類別。面板、覆蓋件由于受到剛性要求的制約，利用高強度化使面板、覆蓋件減薄有一定限度。因此，一些車種使用了比重小于鋼的鋁材和樹脂等材料。
對于車體構(gòu)架，需要保證碰撞安全性，因此不存在剛性問題。所以可采用高強度和輕量化兼有的高強度鋼，即車體構(gòu)架的主流材料是高強度鋼板。實際上，在將高強度材料用于車體構(gòu)架時，根據(jù)碰撞安全性的要求，車體不同部位對構(gòu)架要求的性能也不同。對于乘員座室，為保護碰撞時乘員的安全，不發(fā)生壓潰是最重要的。因此，座室構(gòu)架用材不僅要高強度化，而且還要求具有良好的抗延遲斷裂性和韌性。而車體前后構(gòu)架應(yīng)具有發(fā)生壓潰吸收沖擊能的功能。因此，車體前后構(gòu)架用材不僅要高強度化，而且要求具有彎曲性和韌性。除了上述特性要求，還要求這些鋼板具有良好的沖壓成形性和焊接性。今后高強度鋼部件將會不斷增加，神戶制鋼對新型高強度鋼的研發(fā)也在不斷推進。
20世紀(jì)90年代后期，590MPa級高強鋼開始被采用，神戶制鋼進行了高強度、高加工性的DP鋼的開發(fā)和生產(chǎn)。為此，研發(fā)出車體構(gòu)架部件用980MPa級DP鋼，為進一步高強度化做出了貢獻。
另一方面，即使是DP鋼，當(dāng)強度大于980MPa 級時，實現(xiàn)高強度和良好加工性兼有也非常困難。一般情況是強度升高，伸長率下降。神戶制鋼開發(fā)出加工性優(yōu)于DP鋼的高加工性高強TBF鋼，并于2013年開始批量生產(chǎn)，用于車體構(gòu)架部件。今后將開發(fā)出加工性更好的新一代高強鋼，即第三代高強鋼。
圖7是神戶制鋼開發(fā)的新一代高強鋼。此前，神戶制鋼通過微米級尺度的組織控制，提高了鋼板的強度和伸長率，開發(fā)出TBF鋼。這種TBF鋼以貝氏體鐵素體為母相，使殘余奧氏體微米級尺度薄細化，消除了斷裂起點，提高了鋼的強度-延性綜合性能，使鋼板具有高強度和高延性。在新一代高強鋼板的開發(fā)中，使貝氏體母相進一步微細化，同時使殘余奧氏體納米級尺度微細彌散化，使鋼板具有更優(yōu)良的強度-延性綜合性能。為了獲得這種理想的組織，神戶制鋼與大學(xué)共同對鋼板的制造工藝和熱處理制度進行了研究。
日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省組織實施的“ISMA（新結(jié)構(gòu)材料技術(shù)研究團隊）項目”也進行了新一代高強鋼板的開發(fā)項目研究。神戶制鋼參加了該項目的研究工作，并且上述的納米級組織控制的研發(fā)思想也得到確認，目前，正在按照這個思路進行研究。
ISMA項目的研究目標(biāo)水平非常高，開發(fā)鋼板兼有高強度和高加工性，鋼板的強度×伸長率≥30000。神戶制鋼采用提高碳含量、增加殘余奧氏體量，并對殘余奧氏進行精密組織控制的方法。目前，在實驗室已經(jīng)獲得了該項目目標(biāo)值的試驗數(shù)據(jù)。今后將進行新一代高加工性高強鋼板的實用化、商品化研究。
伴隨材料高強度化產(chǎn)生的一個主要問題是材料的接合方法問題。一般來說，由于鋼板的高成分化，使鋼板點焊變得困難。并且，鋼板高強度化，使機械接合也難于進行。神戶制鋼為解決這個問題，進行了高強鋼板接合方法的開發(fā)。以下介紹神戶制鋼開發(fā)的兩個高強鋼板接合方法（如圖8）。一個方法是“外加壓式電阻焊接法”。該方法為了將高強度鋼板之間牢固焊接在一起，對焊接導(dǎo)電嘴周圍進行壓緊的點焊。采用該方法，可在比傳統(tǒng)方法更寬的電流范圍內(nèi)，獲得高于傳統(tǒng)方法的點焊強度。另一個方法是“利用新開發(fā)焊接材料的電弧點焊法”。該方法使用針對新一代高強鋼板高碳化特點的新開發(fā)焊接材料，進行電弧點焊，可獲得比傳統(tǒng)點焊高出很多的點焊強度。
神戶制鋼不僅進行高強度鋼板的開發(fā)，而且為了便于高強度鋼板的使用，同時進行了針對高強度鋼板接合技術(shù)和新焊接材料的開發(fā)。
3車體輕量化的最新研發(fā)動向
在汽車輕量化方面，超高強度鋼和熱沖壓鋼的應(yīng)用不斷擴大，并且鋼鐵材料與非鋼材料組合應(yīng)用，即“材料多元化”也在不斷推進。在材料多元化方面，歐美等國已走在前列，對各種材料的應(yīng)用進行了深入研究。歐美以高級車為重點，不僅覆蓋部件使用鋁材的事例不斷增加，而且 碳纖維增強 復(fù)合材料（CFRP）也開始用于車體構(gòu)架。汽車材料多元化的趨勢不斷發(fā)展擴大。因此，今后鋼鐵材料要積極應(yīng)對材料多元化的發(fā)展趨勢。
汽車材料多元化有兩方面的含義，一是非鋼材料用于過去的鋼鐵材料構(gòu)成的車體；二是由于傳統(tǒng)接合技術(shù)不能使用，所以要開發(fā)新的接合技術(shù)。歐洲汽車制造廠已經(jīng)率先采用了黏合劑接合技術(shù)和鑿密（Caulk）接合技術(shù)。可以預(yù)期，在今后材料多元化的發(fā)展中，接合技術(shù)將會有很大變化。
例如，在鋼材與鋁材的接合方面，鋁板材與軟鋼鋼板的接合主要用于車體的覆蓋件，接合方法是鉚接和鑿密。但是高強鋼板、超高強鋼板、熱沖壓材料開孔很難，并且有碰撞時產(chǎn)生裂紋的問題。所以在推進超高強鋼板的應(yīng)用時，為實現(xiàn)超高強鋼板與其他材料的多元化，關(guān)鍵問題是改進機械接合技術(shù)，開發(fā)機械接合與熔融接合組合接合技術(shù)等多種接合方法。目前，神戶制鋼正在努力進行超高強鋼板與鋁材板的異種材料接合技術(shù)的開發(fā)。其中一種方法是金屬元件與焊絲并用的焊接方法。該方法在神戶制鋼稱為“Element Arc Spot Welding”。
這種焊接方法可獲得比其他焊接法高出許多的焊接接頭強度。神戶制鋼今后將開發(fā)出在接頭強度、焊接成本和易操作性等方面適用于超高強度材料和材料多元化的接合技術(shù)。
如前所述，神戶制鋼具有生產(chǎn)開發(fā)特殊鋼和高強鋼等高強度鋼材的優(yōu)勢和生產(chǎn)開發(fā)鋁材和焊接材料的優(yōu)勢。神戶制鋼發(fā)揮這些優(yōu)勢，將這些技術(shù)融合起來，為促進汽車輕量化，積極開展材料多元化的研發(fā)。
圖9是神戶制鋼的汽車部件材料多元化提案的圖示。當(dāng)鋼鐵材料在輕量化方面已經(jīng)將作用發(fā)揮到極致時，在實現(xiàn)全鋁化的過程中，應(yīng)考慮鋼鐵材料與鋁材的多元化組合。選擇輕量化水平和成本水平，由汽車制造廠決定，但神戶制鋼進行了各種方案的技術(shù)儲備，可以提供獨有的低成本和輕量化兼顧的技術(shù)方案。
4結(jié)語
日系汽車制造廠不僅在日本，而且在世界各國進行全球化生產(chǎn)。因此，作為材料供應(yīng)企業(yè)的神戶制鋼，也在不斷構(gòu)建全球化的材料供應(yīng)體系。神戶制鋼目前已在汽車的主要生產(chǎn)地區(qū)如北美、中國，構(gòu)建起高強度鋼材、鋁面板材、鋁擠壓材、鋁鍛材的生產(chǎn)制造體系。并且已于2017年在神戶制鋼本部設(shè)立了“汽車輕量化事業(yè)企畫室”，在技術(shù)開發(fā)本部設(shè)立了“汽車解決方案中心”。
神戶制鋼的鋼材生產(chǎn)廠、鋁材生產(chǎn)廠、焊接加工廠以及公司本部密切協(xié)作，開展對汽車制造廠提供綜合性技術(shù)提案的服務(wù)，作為生產(chǎn)各種材料的神戶制鋼，今后將進一步為汽車輕量化做出更大貢獻。
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