热冷轧汽车用钢片常用规范对照与选用T280F.docx

1、热冷轧汽车用钢片常用规范对照与选用T280F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-FA0-94-21T2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

2、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：SAEJFSEN(5)世界車：SAEENJFS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。各級主管意見：（請依序簽註）T28T2AT2一、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

3、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7080%，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

4、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

5、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

6、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。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

7、，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

8、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。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

9、、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

10、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。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、C Pillar前側樑、side sill門防撞桿底盤下部品(Undercarriage parts)Lower arm輪圈基礎式E*tmys*t2E*ttstm*tsm板厚以

11、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(Deep Drawi

12、ng)(2)伸張加工(Stretching Forming)(3)伸緣加工(Stretch Flanging，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

13、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。圖6A n值與加工變形關係示意圖圖6B r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(TS340MPa)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，

14、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TS440MPa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，The Japan iron and steel Federation Standard)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

15、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JFS A1001熱軋鋼片的規範例(厚度2.03.2mm)，共區分為一般軟鋼(Mild Steel)，中高強度級之汎用W與J型(Commercial type)，高擴孔A與B型(Hole-Expansion type)，高降伏比型(High yield ratio type)與低降伏

16、比型(Low yield ratio type)等7大類。表4 日本鐵鋼聯盟自動車用規格(JFS)汽車用熱軋鋼板規格(JFS A1001) t=2.03.2mm型態規格(JSH)TS(MPa)YS(MPa)EL(%)擴孔率(%)相當於JIS用途強化機構軟鋼JSH270C270min.2053053751SPHC結構件JSH270D270min.1752853953SPHDJSH270E270min.1552554255SPHE汎用型 WJSH310W310min1853053852SAPH310結構件車輪圈固溶強化JSH370W370min2153353548SAPH370JSH400W400

17、min2353553347SAPH400JSH440W440min2753903045SAPH440JSH490W490min3254502640SPFH490析出強化JSH540W540min3655002337SPFH540汎用型 JJSH370J370min2253653348結構件固溶強化JSH400J400min2553953247JSH440J440min3054453045高擴孔型 AJSH370A370min215335354890min.結構件車輪磐固溶強化JSH440A440min275390304580min.JSH540A540min365500233760min.析出

18、強化JSH590A590min450600183255min.SPFH590高擴孔型 BJSH440B440min2753903045100min.結構件車輪磐析出強化JSH540B540min365500233780min.變韌鐵組織強化JSH590B590min450600183275min.高降伏比性 RJSH440R440min3254402740結構件支架車輪圈懸吊系統固溶強化析出強化JSH490R490min3654902337JSH540R540min4205602034JSH590R590min4506001832JSH780R780min6858351429低降伏比性 YJS

19、H540Y540min2954402540SPFH540Y車輪磐防撞鋼樑麻田散鐵系雙相鋼JSH590Y590min3154802338SPFH590YJSH780Y780min3906351630依JFS A1001所規定的完整的熱軋鋼片種類符號如下(汎用型鋼板例)：由於汽車用熱軋鋼片除了一般的軟鋼外，高強度鋼也是常見的鋼料，依照其強化方式，可區分為：(1)固溶強化。(2)析出強化。(3)組織強化。(變韌鐵、麻田散鐵、殘留沃斯田鐵)熱軋鋼片最常見的加工方式就是伸張加工與擴孔加工，各種強化機構與鋼片加工性間之關係如圖7A所示。各種強化機構與適用加工型態的關係如圖7C所示，擴孔加工(擴孔率)與伸張

20、加工(伸長率)間所適用的強化機構可能不同，因此常常一種鋼料只具有一種特性，充分了解加工型態，才能選擇適當的高強度鋼，特別是強度越高更是必須特別注意，謹就鋼片強化機構與抗拉強度(TS)等級分類說明如下。圖7A 熱軋鋼片強化機構與加工性之關係圖7B 冷軋鋼片強化機構與加工性之關係圖7C 各種加工方式與部品所需材料特性示意圖1.軟鋼(270 MPa)汽車用熱軋軟鋼受限於冶金製程限制，一般只供應至DDQ等級，但由於車體安全的要求，其與一般熱軋軟鋼最大不同在於YS值均有下限要求且EL要求較嚴，以符合車體剛性與穩定的成形加工性能需要。2. 固溶強化型高強度鋼(310440MPa)一般採用此強化方式鋼料的T

21、S為370440MPa，由於材料的強度等級不高，具有不錯的伸長率及擴孔率，適合一般程度的衝壓加工(彎曲或衝壓)，普遍用於一般結構用品(Frame、Member)及底板下之結構部品。3. 析出強化型高強度鋼(490780MPa)利用C、Mn、P元素之固溶強化仍可獲得不錯的成形性，但是強度等級如果到達490MPa時，只能利用提高C達成，但提高C時鋼料伸長性急遽劣化不利成形加工，且C高時亦造成銲接性能下降，故必須以析出強化(Nb、V、Ti)來達到提高強度需求，依此方式來提高強度的鋼料，其伸長率及擴孔率多是比較差，如圖7A所示，此種強化方式鋼料一般用於以彎曲加工或淺衝加工的結構件用途為主，如：汽車的輪

22、圈(RIM)與卡車大樑(BEAM) 安全帶捲軸架，車門連接臂(LINKAGE)，安全氣囊集器室，差速器支架，防撞桿等要求剛性之零配件。4. 組織強化型之高強度鋼(540780MPa)對鋼料施以各種不同的熱處理是提高鋼料強度最方便的方式，由於鋼料經過各種不同處理後會產生不同型態之組織，一般最常見的是肥粒鐵、波來鐵、變韌鐵、麻田散鐵等組織，利用此等組織變態的方式可將材料強度由一般的270MPa，提高到5401500MPa。由於熱軋鋼片主要的加工型態還是以伸張加工及擴孔加工為主，因此所要求的材料特性就是伸長率及擴孔率，此種特性在一般的強度等級時，二者都尚能兼具，但是在高強度甚至是超高強度(980MP

23、a)往往無法兼得，在材料選用時必須有所取捨，此需賴使用者及鋼板供應商間能夠充分事先溝通，而未來開發高伸長率及高擴孔率的材料將是高強度鋼所追求的方向。依不同組織強化機構說明以下：4.1 麻田散鐵型雙相鋼(540980MPa)由於傳統強化機構所生產之高強度鋼YS太高(YS/TS高)，衝壓加工時容易產生形狀固定性差或反彈量大的問題，這種材料的伸張加工性差(EL比較低)，易造成加工破裂，通常車輪盤(DISK)、懸吊臂(ARM)與座椅滑槽(SLIDE)等部品會碰到類似的問題，圖8A是強度等級540MPa熱軋鋼片的各種強化機構及與加工特性間之關係。麻田散鐵系的雙相鋼是最早開發出來用於車輪盤(DISK)，此

24、種材料相對同強度鋼料，具有低降伏強度及高伸長率的優點，特別適合用於單純的伸張加工，但是此種鋼料並非完全沒有缺點，它主要的問題就是擴孔率比較差，圖8B為各種強化機構之強度等級與擴孔率之關係，此種鋼料如用於擴孔加工比較多的部品，如圖8C與8D，往往會產生擴孔破裂的問題，且強度越高問題越嚴重，主因此種鋼料經過衝剪加工時，會在剪斷區域的周圍組織內較硬的麻田散鐵與軟質的肥粒鐵間產生孔洞缺陷，如圖8E所示，於後續的擴孔加工時向內延伸，而在剪斷位置發生破裂。圖8A TS 540MPa熱軋鋼片的加工特性與強化機構之關係圖8B 熱軋鋼片各種強度等級的擴孔加工與強化機構之關係圖8C 熱軋鋼板用於擴孔加工之範例(懸

25、吊臂)圖8D 熱軋鋼板用於擴孔加工之範例(座椅滑槽)剪斷面示意圖剪斷面附近大量孔洞發生剪斷面附近孔洞少圖8E 熱軋鋼片經剪切後剪斷周圍發生之孔洞缺陷外觀4.2 變韌鐵強化高強度鋼(540590MPa)由於熱軋高強度鋼常用於結構件(MEMBERS)、車輪盤(DISK)等部品，這類部品常用的加工型態除了伸張加工外，擴孔的加工方式也非常多，常見的伸緣與擴孔加工如圖9A所示，由於材料加工前必須先經過剪切加工，剪切後會在剪斷面附近因為材料內部各種組織間之強度差異產生孔洞，如圖9B，此種孔洞造成後續加工時的破裂起始點。以590Mpa等級為例，如果採用雙相鋼時，雖然伸張加工性不錯，但是擴孔率卻比較低，因此無

26、法使用在擴孔要求比較嚴格的加工，此時就必須考慮使用變韌鐵強化方式高強度鋼板，如圖9C所示，由於此種型態的強化不會像麻田散鐵型的材料在剪斷時內質發生孔洞引起破裂。雖然此類鋼料具有不錯的擴孔性，但是由於YS比較高且EL比較低，因此加工時也必須考慮伸張破裂及反彈的問題。圖9A 常見擴孔加工示意圖變韌鐵+肥粒鐵變韌鐵肥粒鐵+波來鐵=110%=80%=70%圖9B 各種組織經剪斷面附近孔洞外觀與擴孔率的關係 伸緣與擴孔性：B最佳F+B次佳F+B+再次F+M 最差 伸長性：F+B+最佳F+M 其次F+B再次B最差 圖9C 強度590MPa熱軋鋼板各種組成與加工性之關係4.3 殘留沃斯田鐵型強化高強度鋼(5

27、901500MPa)由圖9C此種高強度鋼板強化機構，可兼顧鋼料之伸緣擴孔與伸長加工性，為超高強度等級(780MPa)鋼板發展之主流。(二)汽車用冷軋鋼片規範分類表5為日本鐵鋼聯盟所制定的JFS A2001冷軋鋼片的規範例(厚度0.81.0mm)，共區分為一般軟鋼(Mild Steel)，中高強度級之烘烤硬化型(Bake-hardening type) 、汎用型(Commercial type)、高深衝加工型(High deep-drawing type)，與強度級之高降伏比型(High yield ratio type)與低降伏比型(Low yield ratio type)等6大類。表5 日本鐵鋼聯盟自動車用規格(JFS)汽車用冷軋鋼板規格(JFS A2001) t=0.81.0mm種類記號規格(JSH)TS(MPa)YS(MPa)EL(%)r值烘烤硬化量(MPa)相當於JIS用途強化方式軟鋼JSC270C270min.1352553948SPCC內外板件JSC270D270min.12521542511.2min.SPCDJSC270E270min.12019044521.