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頁次：28之1冶金技術處技術報告主題：熱冷軋汽車用鋼片常用規範對照與選用報告人：宋騰強參與人：黃國祥,鍾以燊,,單位：T28單位：T21,T21,,職稱：工程師職稱：工程師,工程師,,報告編號：T280-F–A0-94-21T2立案編號：T28-94-A23：密件：限閱報告日期：94.12.12分送單位：T21、T25、T27、T29摘要：為歸納瞭解複雜的汽車用鋼規範，經鑑別1998年後區域性整合之日(JFS)、美(SAE)、歐(EN)汽車用熱冷軋薄鋼板最新國際規範之規定，與各大車廠自訂規範關係，並分析用途功能特性與各種強化機構鋼料品質特性需求，完成熱冷軋薄鋼片規範之鋼種對照，確立鋼料選用規則如下：1.鋼料性能選用優先順序：用途功能特性＞品質穩定性＞成形加工可行性＞料源取得容易2.不同車種選用國際規範優先順序：(1)日系：JFS(2)美系：SAE(3)歐系：EN或SAE(4)亞洲車：SAE＞JFS＞EN(5)世界車：SAE＞EN＞JFS整理之規範鋼種對照，除供提升客戶選用料知識訓練與引導簡化訂貨鋼種之用外。後續將繼續進行”熱軋汽車用鋼之產用最適化”研究。頁次：28之2各級主管意見：（請依序簽註）T28T2AT2頁次：28之3一、前言隨著國民所得不斷成長，在開發中國家汽車不再是富人的專屬品，已漸成為人人不可或缺的代步工具，汽車的設計及製造也變成一種社會性需求。但數量龐大的汽車的出現，不僅消耗大量的能源及排放大量的廢棄物，同時也帶來人身安全性的問題。因此各國法規都將汽車減廢及乘載安全性當成是最大的課題，促使汽車業的發展也都全力朝此方向努力。汽車所使用的材料包羅萬象，但仍然以鋼鐵材料為主要原料，其中又以薄鋼板為主，隨著不同時代的要求各式替代產品也相繼被開發，鋼鐵材料也相對發展出對應的產品。汽車所使用之鋼鐵材料包含薄鋼板、鋼管、條鋼及鑄鐵等，佔整車重量的70~80%，因此鋼鐵材料的品質及性能也影響汽車的設計及性能，而大環境的變化會引導汽車的設計，汽車鋼板的種類變化更反映著時代的變化，1970年代的石油危機後降低耗油的減重需求設計，引發高強度鋼的使用，1980年代後半汽車保證期限及使用壽命的延長，表面處理鋼板開始被大量的使用，1990年代後半地球環境的惡化及乘載安全問題的考慮，高強度鋼板再度受到注目，甚至超高強度開始進入汽車材料領域。由於世界各先進國家於汽車相關環保與安全法規要求不同，導致各國在汽車設計理念與用料規範的差異性，而自成獨立的供料體系。但隨著汽車產業的國際化與車廠間的併購，以及汽車製造業於共通性零件降低成本的量產需求，如何統一用料規範，已成為汽車製造業整合設計與與鋼鐵廠生產的重要課題。日本各大車廠與各大高爐廠於1990年起開始進行共通性汽車用薄鋼板規範之規劃，於1996年完成全系列汽車用薄鋼板之日本鐵鋼連盟(JFS)規範，並自2000年起於日本國內推動實施，不祇大大提高料源取得的便利性與交貨準確性，亦使各大鋼廠在鋼料研發效率加快，特別在各類高強度鋼板的量產供應上表現亮麗，使其汽車製造業在功能設計上能超前法規要求，並可符合產品行銷國際化的需要。本文謹由世界各汽車業先進國家之常見汽車用熱冷軋薄鋼板規範與主要部件功能特性、鋼料加工性能之關係，介紹鋼料規範的對照，期使產用者於汽車用熱冷軋薄鋼板選用與部件設計上有所助益。二、汽車部件設計與鋼鐵材料選擇理念汽車材料的選擇思考方向，從來都是以能夠大量穩定供料、穩定品質及價格穩定便宜為主，鋼鐵是最能吻合上述條件的材料，所以也佔汽車用料的最大宗，隨著能源危機及地球環境的惡化，汽車產業對於材料的思考方向除了上述條件外，新進設計之車型對材料的選用又加入下列4個思考重點：1.汽車車體耐久性提高2.低耗油3.安全性的提昇4.廢車車體的再生利用針對上述的要求，其他替代的材料陸續被發展出來，並且逐步侵占鋼鐵材料的市場，因此鋼鐵材料面對此危機，也逐步採取各種因應方案。頁次：28之4汽車的設計必須符合社會的需求，而汽車材料的選擇更必須滿足汽車設計功能特性的需求，三者間之關係如圖1所示，目前社會對汽車最主要的要求是低價、環保及安全，汽車及汽車用鋼對此也各有不同的對應。圖1汽車用鋼料的功能要求三、汽車用鋼鐵材料分類與選用(一)汽車部件與使用鋼料種類一部汽車共需約3萬多個零件組裝而成，根據日本自動車工業協會的調查，小型乘用車所使用材料的平均比例，其中鋼鐵材料佔72.3%，非鐵金屬佔8%，非金屬材料佔19.7%，鋼鐵材料佔有絕對性的比例。但由於車體輕量化的要求，提高了鋁合金、樹脂材料及高強度鋼板的用量，而因應車體耐蝕性的要求，表面處理板使用比例也大幅的增加。另一方面各國汽車的發展與粗鋼產量有著密切關係，以日本為例，粗鋼產量隨著汽車生產量的增加而增加，而且隨著汽車設計及需求改變，鋼鐵業也隨著發展出新的材料對應如圖2所示；以薄鋼板為例，從早期的一般等級(CQ)，隨著車體設計的複雜化，開始往深衝等級(DDQ)發展，隨著能源危機出現後，高強度鋼板開始發展，接著是汽車使用保證期限的拉長，以及環保與安全法規要求日愈嚴苛，故表面處理鋼板與各種高強度鋼板產量開始大量增加。低廉車價環境保護乘載安全一體成形化衝壓工程簡化材料利用率提昇車體外觀品質提昇車體輕量化廢車材料循環利用有害物質排除安全性提昇耐久性提昇成形性提昇鋼板表面品質提昇高強度化循環再利用性耐蝕性提昇有害物質規範社會要求汽車製造業對應鋼料要求頁次：28之5圖2日本汽車生產量與鋼鐵生產量及汽車用鋼關係一部汽車實際所使用之鋼鐵材料種類如圖3所示，各項鋼料使用比率及主要用途如表1所示，大約有85%的重量是由熱冷軋薄鋼板所貢獻，其中鍍鋅鋼片為取代冷軋鋼片之耐蝕功能延伸材料，主要均使用於車體鈑金與結構補強板，除表面鍍層特性外，其底材冶金設計及選用要領與熱冷軋薄鋼板並無不同，謹就汽車主要部件使用之熱冷軋鋼片分類說明以下。表1汽車使用鋼鐵材料種類比率與主要用途鋼料重量百分比用途熱軋24%輪圈、輪盤、大樑、懸吊、支架、結構補強板、座椅、安全帶、安全囊等之零配件冷軋13%車頂鈑、內外鈑，結構補強板、保險桿、座椅、安全帶、安全囊等之零配件鍍鋅鋼片45%內外板金，結構補強板與零配件條線10%汽車扣件傳動軸總成，變速箱齒輪、平衡桿4%避震油壓缸、懸吊彈簧、軸承、輪胎鋼絲不銹鋼1.9%排氣管鍍鉛錫鋼片1.7%油箱及配件鍍鋁鋼片0.4%隔熱板頁次：28之6圖3汽車使用之鋼鐵材料種類示意(二)汽車用熱冷軋鋼片基本特性：1.汽車車體各部之功能特性要求：汽車依照車體設計部位可以歸類成4大部份，每個部份各有其功能特性及對鋼片的要求，如表2所示。車體外鈑主要要求伸張剛性及耐凹性，保險桿及各式樑類要求耐衝撞性，底盤下部品要求耐疲勞性，幾乎所有特性與材料厚度有關，但是與高強度鋼有關的特性有耐凹性、耐疲勞性及耐衝擊性。1990年以前汽車車體所使用鋼片強度等級，以強度等級440MPa以下為主，但隨著車體安全性能與環保減廢輕量化要求日趨嚴苛，車廠的設計及鋼廠的開發，自2000年後在鋼廠的開發配合下，車廠於車體各部位設計，幾乎都朝向使用440MPa以上的高強度鋼。(1.7%)油箱及配件鍍鉛錫鋼片輪圈熱軋(軟鋼)高強度熱軋內板金(門內板、底板)冷軋(軟鋼)GA(軟鋼)(2.3%)排氣及隔熱系統不銹鋼(1.9%)鍍鋁鋼片(0.4%)汽車座椅冷軋(軟鋼)高強度冷軋及GI高強度熱軋避震器及避震彈簧耐疲勞彈簧鋼低合金鋼直棒傳動系統低合金鋼直棒大尺寸棒鋼汽車扣件低合金鋼棒線球化盤元中碳鋼棒線結構件(柱及樑)高強度冷軋高強度GA外板金(引擎蓋、車頂)冷軋(軟鋼)GA(軟鋼)、高強度GA底盤及懸吊熱軋(軟鋼)高強度熱軋保險桿補強冷軋、GA(軟鋼)高強度冷軋超高強度冷軋頁次：28之7表2汽車車體各部之功能特性與材料要因部位部品功能特性伸張剛性(stiffness)耐凹性抗挫屈剛性(rigidity)耐疲勞性耐衝擊性外鈑門外鈑、引擎蓋、葉子板◎○內鈑底鈑等◎○○○構造部品Rail、CPillar◎○○前側樑、sidesill◎○◎門防撞桿◎○◎底盤下部品(Undercarriageparts)Lowerarm◎◎輪圈◎◎基礎式E*tmσys*t2E*tσtstm*σtsm板厚以外的支配因子楊式係數降伏強度楊式係數抗拉強度抗拉強度2.鋼料機械性值與成形性能：汽車結構用熱冷軋鋼片的成形性好壞，與鋼板的機械性質有密切的關係，當鋼料經過拉力試驗時會產生圖4的曲線，從圖4的曲線可以獲得下列幾項重要的指標。YS：降伏強度，代表鋼料開始產生塑性變形的點。TS：抗拉強度，代表鋼料開始發生不均勻的變形。EL：伸長率，代表鋼料的延性。n：加工硬化指數，代表鋼料均勻變形的能力。r：塑性應變比，代表鋼料加工時抗薄化能力；r=寬度方向應變/厚度方向應變。圖4拉力試驗示意圖頁次：28之8熱冷軋鋼片的成形性以材料流動特性及受力方式可區分成下列四種加工型態，如圖5所示。(1)深衝加工(DeepDrawing)(2)伸張加工(StretchingForming)(3)伸緣加工(StretchFlanging，擴孔加工)(4)彎曲加工(Bending)圖5衝壓加工的基本型態而各項機械性質指標與成形加工不良間之關係，如表3所示：表3成形不良現象與鋼料機械性值間之關係(影響度：大◎→○→△小)成形不良現象鋼料機械性值板厚YSTST.ELn值r值楊氏係數極限變形能破裂深衝加工○◎○伸張加工△◎○△○擴孔裂△○△○◎○彎曲裂△○△◎◎面形狀皺紋(Flange)◎△△○○皺紋(Body)◎△○○△○面形狀不良○△○△○角度變化◎△○△○尺寸精度側壁反彈◎△○△○形狀凍結不良◎△○△○頁次：28之9鋼料的YS低代表材料容易變形，不容易發生皺紋或表面凹凸，伸長率高代表材料不容易發生破裂，n值高代表變形時不容易產生局部變形集中提早產生破裂，如圖6A所示，而r值高代表鋼料容易收縮，厚度方向不容易減薄，如圖6B所示，因此鋼料的深衝加工性會比較好。n值小n值大圖6An值與加工變形關係示意圖圖6Br值與加工變形關係示意圖四、汽車用熱冷軋鋼片常用國際規範分類汽車用薄鋼板除了一般軟鋼外，高強度鋼也是目前汽車業使用的主流，根據日本汽車業調查至2000年量產車型的高強度鋼(TS≧340MPa)使用比例已經達到50%，高強度鋼已經成為未來車體用鋼的主流，尤其是熱軋鋼片大都用於車體的結構件、懸吊件等安全性設計部件上，更需大量採用高強度鋼。一般低強度軟鋼依據加工的難易程度選擇成形等級，而高強度鋼因為強化機構的不同，依加工型態不同各有其優缺點，選用時必須根據部件的功能特性與加工型態不同，選擇不同強化機構的高強度鋼，此點在TS≧440MPa更必須注意。由於鋼廠與車廠一直以來都各有其自訂規範，甚至針對特殊需求開發各種特殊鋼材，造成鋼料規範複雜化，雖然是相同之材料，但是因為各車廠或鋼廠間訂定種類符號不同，而無法取代使用，造成材料供應商備庫存的困擾。以下謹以日本鋼廠與車廠統合整理成日本鐵鋼聯盟規範(JFS，TheJapanironandsteelFederationStandard)分類並與國際上常用之熱冷軋鋼片規範及對照說明如下。(一)汽車用熱軋鋼片規範分類熱軋鋼片用於車體的骨架、結構及補強件，主要的加工型態以彎曲、伸張及伸張凸緣(擴孔)為主，比較少使用到深衝加工，由於強度提高後鋼料的成形性變差，高強度鋼常常因為加工型態的不同會選擇相同強度等級，但是不同型態的高強度鋼。日本車廠新車型都已經陸續採用日本鐵聯盟的自動車規格(JFS)，未來JFS規格將是日系車型唯一的規格，其所列汽車用薄鋼板的規範對照鋼種符號如附錄1。表4為日本鐵鋼聯盟所制定的JFSA1001熱軋鋼片的規範例(厚度2.0~3.2mm)，共區分為一般軟鋼(MildSteel)，中高強度級之汎用W與J型(Commercialtype)，高擴孔A與B型(Hole-Expansiontype)，高降伏比型(Highyieldratiotype)與低降伏比型(Lowyieldrati