自動車用鋼材の進化と未来：古代の技術から現代のエンジニアリングへ

自動車用鋼の重要性

鋼鉄を使って 自動車 現代の人の常識です 自動車用鋼の理解は 止まる 低炭素鋼で 鋼鉄は両方で使用されていますが,今日の自動車鋼は 沢山 数十年前よりマシだ 過去数年間で自動車用鋼の研究は大きな進歩を遂げました 自動車用鋼板は薄くなっています 薄くなります 鋼の強度と耐腐蝕性は 改善された 沢山 ありがとうございました カウンター 生産が拡大する際,多くの鉄鋼会社は 車両 軽量かつ高強度の鋼鉄を開発する企業 それ cAN と競争する アルミニウム合金、プラスチック、炭素繊維強化複合材料

製鉄所

1. 未定義な用語：「高強度鋼」

現代の自動車市場においては、多くのブランドが「高強度鋼を使用している」と謳っているが、この用語には統一された業界基準が存在しない。鋼鉄技術が進歩するにつれ、このラベルに関連付けられる強度の閾値も変化してきている。この状況は、「新型」「フルモデルチェンジ」「次世代」として販売されている車種と似ている。マーケティング部門では、300MPaを超える鋼を「高強度」と分類する傾向があるが、その範囲内でも、最大で100%もの強度差がある場合がある。

自動車用鋼材について明確にするためには、まずその歴史的発展を理解する必要がある。

中国における鋼鉄開発

青銅から鉄へ：中国のイノベーション

鋼の歴史は中国の春秋戦国時代（紀元前770～210年頃）に遡る。当時は青銅が主要な金属であったが、耐久性のある道具や武器には脆すぎるという欠点があった。古代中国の技術者たちはブリキュー炉による製鉄法を用い始め、柔らかい塊状の鉄を生産した。当時の鉄製工具は青銅に対してそれほど利点がなかったが、その後の冶金技術の画期的な進歩の基盤となった。

漢代における技術の進歩

漢代（紀元前202年～西暦220年）には、鞴（ひょう）によって高温が得られる炉が登場し、硬度を調整するための浸炭技術が発展した。「攪拌鋳造法」と呼ばれる方法により、冶金技師が転炉内で溶融した鉄をかき混ぜて合金元素を添加できるようになった。不純物を取り除くために折り畳みや鍛造の技法と組み合わせることで、高品質な鉄を製造することが可能となり、主に武器に使用された。発掘された漢代の墓からはそのような武器が多く見つかっており、広範な利用が確認されている。

唐代における熟練技術

唐代（西暦618～907年）には、鍛冶屋が鉄製品に含まれる炭素量をコントロールできるようになり、現代の鋼の定義となる炭素含有量0.5～0.6%の鋼を製造することができました。また、硬度と靭性の両方を最適化するために、ブレードサンドイッチなどの技術が開発されました。

玉鋼剣

図中の鉄製武器は中国古代の玉鋼剣です。これは当時の製鉄技術が高度であったことを示しています。鉄製武器は広く使用されており、鉄刀、鉄戟（ジ）、槍、矢など様々な種類がありました。青銅器は完全に鉄に置き換えされ、人類は鉄器時代へと入りました。

唐代で使用されていた鋼鉄の刀 y

中国の唐代において、製錬および鍛造技術に大きな変化はありませんでした。 明らかに しかし、経験の蓄積を通じて、鍛冶屋は鉄製品の炭素含有量を調整できるようになりました。代表的な唐代の刀の炭素含有量は約0.5～0.6%であり、これは鋼の範囲内に該当します。

現代の製鋼において、炭素含有量の管理は依然として基本です。用途に応じて炭素含有量を調整することで、鋼の靭性や硬さを調整することが可能です。両方の特性を持った刃物を作るために、古代の人々はクラッディングやサンドイッチ鋼などの技術を発明しました。ただし、これらは本記事の範囲を超えています。

(第一次産業革命 )

第一次産業革命

第一次産業革命 品質を 鉄の生産における工業化への移行。人類が鋼に対する需要を急激に増加させたのは産業革命の時期でした。蒸気機関の発明により、人類は初めて重労働や動物による生産から解放され、燃料で動く機械によって生産性ははるかに高いレベルへと引き上げられました。

英国の紡績工場は蒸気機関と鋼で作られた織機に依存していました

(蒸気機関車 )

蒸気機関車もまた、それに伴う鉄道レールとともに、鋼の大口消費財となりました。 イギリス 紡績工場では、女性たちがグループで作業を行うのが一般的でした それはそれまでの うるさい鋼鉄機械。ヨーロッパ大陸全体に鉄道が敷設された。蒸気機関車は主要な交通手段として馬車の置き換えを始めた の 馬車から自動車への主要交通機関の移行 ツール。 それ以来、人類は鋼鉄なしでは生活できなくなり、需要は日々増加し続けている。

（第二次産業革命時におけるフォード・モーターの最初のアセンブリライン）

 第二次産業革命によって、自動車と鋼鉄が結びつけられた  素材 .

(シャオミ '新発売のSUV：YU7）

現在でも、いくつかの高性能カーは依然として by 鋼鉄で作られている。第二次産業革命期に自動車が登場すると、製鉄産業は新たな段階へと進展した。それ以来、この二つの分野は密接に関連してきた。現代の自動車が「メルセデス・ベンツNo.1」と似ていないとしても、生産工程において鋼鉄は広範に使用され続けており、一部のスーパーカーにも含まれている。

自動車用鋼材の強度区分  

現代の車体において高張力鋼板が実際に使われている方法

現代の車両では、車体は さまざまな強度を持つ鋼板を溶接して組み立てられている 。エンジニアは、構造の各部分に想定される応力レベルに応じて適切な鋼材のグレードを選定する。厚い鋼板を使用するのが現実的ではない高応力領域では、 超高張力鋼 が使用される。「良い鋼は必要とされるところに使え」という格言があるように、 "最も必要な場所に最高の鋼を使え。 "

ボディー鋼材強度チャート：表示されている内容とされていない内容

多くの自動車メーカーが 高強度鋼 超高張力鋼を使用していると主張しているが 車体構造図を公開しているブランドもある , しかし、これらの図表の多くは、高張力鋼板が使用されている大まかな箇所を示すに留まり、具体的な引張強度の数値については明記しない場合が多いです 具体的な引張強度の数値 . 独自の研究開発能力を持つ著名ブランドほど、このような技術データの公開に消極的な傾向があります

用語の理解

日本や韓国では、高張力鋼のことを一般的に 「高張力鋼（こうちょうりょくこう）」と 呼びます。鋼材の強さは通常 MPa（メガパスカル） という単位で測定されます。スケール感をお伝えすると、1 MPaとは、1平方センチメートルの面積に約10キログラム（およそ2つのスイカの重さ）の力が加わっても素材が変形しない強さを意味します

全面ではなく、戦略的に使用

ボディ構造図を分析すると明らかですが 超高張力鋼 （例：1000 MPa以上）は 衝突防止ビームや重要な補強部分などの特定のコンポーネントにしか使用されていません ボディの大部分は依然として成形が容易でコスト効果が高い 低〜中強度鋼材で製造されています このような選択的な使用は 機能的要件と製造上の制約の双方に基づいています .

マーケティングスローガンにだまされないようにしてください

次のような表現に出くわしたときは 「当社の車体には1000 MPa級の高張力鋼を使用しています」という表現は それらを正確に解釈することが重要です。これは、車体全体がこのような高級素材で作られているという意味ではありません。ほとんどの場合、強度レベルがその段階に達しているのは「衝突防止ドアビーム」などの局所的な部分のみである可能性があります。車体構造の残りの部分は、安全性、コスト、製造性のバランスを考慮して設計された複数の素材の混合が一般的です。 ドアインパクトビーム 車体構造の残りの部分は、安全性、コスト、製造性のバランスを考慮して設計された複数の素材の混合が一般的です。

 3、 プレス加工に適した新鋼材

プレス加工はボディ製造の主な方法です。
プレス成形後に金型上に残留しているボディ部品

材料強度の増加に伴い、加工が困難になるという問題が生じます。ほとんどの乗用車はプレス加工によって製造されており、これは金型を使って素材を押し出して形状を作る方法で、プレイドー（Play-Doh）を形作ることに似ています。しかし現在では、自動車用鋼板の高強度化によりプレス加工プロセスへの要求がより厳しくなっています。さらに、深絞り部品が多くなり、材料が割れたりしわが出たりする原因となっています。例えば、コーナー部分はプレス加工時に最も「デッドコーナー」が発生しやすく、一般的に破断やしわが生じる箇所です。これは鋼板をプレスする際に伸展や金型との摩擦といった問題が常に存在することも意味しています。それにより内部応力や表面損傷によるプレス部品の欠陥が引き起こされます。

(自動車車体構造用鋼材)

板材の薄肉分布  

上記のような状況を避けるため、製造業者はプレス加工時の鋼板の変形を研究し、破断を防止する必要があります。しかし、鋼板の強度が高くなるほど、その加工は難しくなります。この矛盾が常に存在します。 .サイドパネルは車両全体の中で最大のプレス部品であり、同時に iS 成形が最も困難な部品でもあります。そのため、製造業者はプレス加工中の鋼板内部の応力を調査し、蓄積された内部応力をできるだけ解消しようと試みます。一方で、大面積プレス部品の板厚を調査することで、鋼板のどの部分が大きく伸びているか、またどの程度の絞り込み深度であれば鋼板が破断しないかを把握することができます。

新開発の鋼材は、材料強度が高いために生じる絞り加工や加工困難性の問題を解決することができます。高張力鋼板の絞り加工上の問題を根本的に解決するため、新開発の鋼材が自動車車体の製造に採用されています。この鋼材の組織は柔軟性と靭性に優れたフェライトを母相とし、その中に硬度の高いマルテンサイトが分散しています。そのため、絞り加工時に形成しやすく、成形後の素材も十分な強度を持っています。

(自動車Aピラー用シートメタル部品 )

いくつかの熱処理された高強度構造部品

Bピラーのように特に補強が必要な箇所には、一部のメーカーが熱処理プロセスを使用しています。成形されたBピラーを加熱・焼入れすることにより、鋼材内部の結晶構造をより完全なものにします。これは陶器作りで粘土で形を作ったあとに加熱して固める工程に似ています。一般的に、このような熱処理された部品は黒色を示すことが多いです。

3.自動車用鋼材の耐食性

(自動車製造用の鋼帯 )

自動車は低合金鋼を使用して製造されている。

現在、自動車用鋼材は鋼の分類上、低合金鋼に属している。この鋼の大部分は鉄元素からなり、炭素、ケイ素、リン、銅、マンガン、クロム、ニッケルなどのごく少量の合金元素が含まれている。これらの合金元素の含有量は2.5％を超えない。

低合金鋼は優れた加工性および強度を示す一方で、耐食性も備えています。普通の軟鋼は自然環境中で赤褐色の酸化層を形成しますが、これは非常に緩く、「錆」として一般的に知られています。一方、低合金鋼は褐色で緻密な酸化層を生成し、鋼材表面に強く付着しており、外部環境による内部鋼材のさらなる腐食を防ぐバリアとして機能します。この防錆メカニズムはアルミニウム合金や亜鉛合金のそれと類似していますが、低合金鋼の場合、安定した保護性錆層が形成されるまで数年を要し、錆層の色調が淡黄色から褐色へと変化するのに対し、アルミニウム合金はほぼ瞬時に保護性錆層を形成します。

耐候性鋼材は建物の外装にむき出しで使用されることが多いです

耐候性鋼材は、錆層が形成された後、特殊な芸術的効果を発揮するため、最先端のデザイナーたちに好まれる建材となっています。

この特性により、低合金鋼は耐候鋼（大気腐食抵抗鋼）とも呼ばれます。耐候鋼は通常、車両、船舶、橋梁、コンテナ等の製造に使用され、表面は一般的に塗装されます。しかし、建築装飾においては、露出した状態で使用されることが好まれます。これは、むき出しにしても貫通錆びの問題が生じにくいためです。さらに、その表面に形成される茶色の錆層は独特の芸術的効果を持ち、特殊建築物の外壁によく使われる素材となっています。

鋼材の性能向上に伴い、自動車メーカーは防錆処理に関して次第に形式的にしか対応しなくなってきています。

自動車に関しては、多くの製造業者が現在、一般的に「シャシーアーマー」として知られているシャシー用のゴムコーティングを少なめに使用しています。多くの新車のシャシーは鋼板がむき出しになっており、工場での下地塗装と外装色に合わせた仕上げ塗装のみとなっています。これはこれらの車両が製造過程で電着底漆と色塗装の工程のみを経ていることを示しています。フロントホイール後方の泥除け部分のみに、ホイールによって跳ね上げられた砂利からシャシーの鋼板を保護するための薄い層の柔らかいゴムコーティングが施されています。このような変化は、製品に対するメーカーの腐食耐性への信頼を反映しているように思われます。

(シャシーアーマー )

Xiaomi SU7 シャシープロテクションプレート

高度な企業ではプラスチック製シャシープロテクションプレートを取り付けています。

保護プレートの下には、まだ簡易処理しか施されていない鋼板が存在しています。几帳面なメーカーではシャシーにプラスチック製保護プレートを装備しています。これらのプレートはシャシーの鋼材と砂利の衝撃を遮断するだけでなく、車体下部の空気の流れを整える効果もあります。このようなプラスチック製保護プレートの下では、シャシーの鋼材はプライマーによる一層のコーティングのみとなっています。

自動車用鋼材は適当に使われることはありません。経営者によるコスト削減の判断は、最終的に大きな利益を犠牲にして小さな節約にこだわる結果になることが多く、技術者は上司の決定に逆らうことができません。

物事には例外があり、その例外はしばしば中国で発生します。数年前、新興の国産ブランドが低炭素鋼を使って車両を製造し、2年以内にシャシーが全面的に錆びつく事態を引き起こしました。そして最近になって、このようなケースが再び表面化しています。ときにはリーダーたちが思いつきで下す決定は本当に驚かされるものであり、ビジネスマンが技術的な議論に介入すると、その結果は常に予測不能になります。

自動車用鋼板の未来

現在、自動車用鋼板の厚さは0.6mmまで薄くなっていますが、これは鋼板の厚さの限界に達していると考えています。鋼板をこれ以上薄くすると、高強度であっても素材本来の構造安定性を失ってしまいます。自動車用鋼板は今、新素材からのますますの挑戦に直面しています。鉄の原子量はその密度を変えられないため、薄くして軽量化するという道は行き詰まりつつあります。アルミニウム合金はすでに高級車を中心に広範囲に使用され始めています。全てアルミ製のSUVや、フロント構造にアルミを使用した5シリーズやA6なども、こうした傾向を示しています。