自動車軽量化

自動車軽量化
ー材料と 成形加工ー
TRC
株式会社
LIBRARY
東レリサーチセンター
はじめに
軽量化によって「資源を効率よく利用する」
、「地球環境をクリーンにする」ことは自動
車の大きな課題です。また、自動車の利用者に快適で安全な空間を提供するための付加価
値向上も大切な課題です。しかし、
この付加価値向上は自動車の重量増加につながるため、
「CO2 排出量削減要求に応える」ことと「付加価値向上」は、多くの場合、トレードオフ
の関係となっています。この問題を解決するためには、多様な部材や機能に応じたマルチ
マテリアル化や、成形加工技術が必要となります。各自動車メーカーはいろいろな角度か
ら軽量化に取り組んでいます。
本書では、自動車軽量化を多様な角度から捉え、自動車の構成部材や軽量化技術に関し
て幅広く調査しまとめました。
第１章では自動車における軽量化の動機と軽量化のための設計手法、材料加工技術につ
いて紹介しています。
第 2 章では実用化が進んでいる金属材料、特に高強度鋼板、アルミ合金を使用した軽
量化技術、また、さらに実用化が期待されるチタン合金、マグネシウム合金に関する技術
動向について、第 3 章ではプラスチック材料について概観し、さらに自動車構造材料と
して検討が始まった炭素繊維強化樹脂複合材料についてその考え方、展望などを紹介して
います。
第 4 章では車体構造、シャーシ、燃料系など車両設計における軽量化技術について、
第 5 章では多種な材料を使用する際に必要な材料間の溶接・接合技術についてまとめて
います。
鉄鋼材料はもとよりアルミ合金、チタン合金などの金属材料や炭素繊維強化樹脂複合材
料などの軽量化に使用される材料はコストを削減するため、また、資源を有効に利用し、
環境をきれいに保つためリサイクルが前提となっています。そのため第 6 章では上記材
料のリサイクル技術の現状について紹介しました。
「資源を効率よく使用する」、「地球環境クリーンにする」ことは CO2 排出量削減を含め
て工業製品を製造する事業者に対する環境問題からの要求であり、自動車に限った事では
ありません。本書は自動車軽量化技術に関して幅広く調査し、紹介しており、自動車軽量
化の分野の研究、企画、営業などに携わっておられる方々、自動車以外の工業製品製造に
関わっておられる方々など、この分野に興味を持たれているすべての方々の参考となれば
幸いです。
2015 年 12 月
株式会社 東レリサーチセンター
調査研究部 産業技術調査研究室
客員研究員 奥田 直紀
目 次
第 1 章 自動車軽量化の背景と軽量化技術の動向 ……………………………………… 1
1.1 自動車を取り巻く外部環境 ………………………………………………………………… 1
1.1.1 CO2 排出量と削減目標 …………………………………………………………………… 1
1.1.2 環境およびエネルギーの制約 …………………………………………………………… 2
(1) 燃費規制 …………………………………………………………………………………… 2
(2) 自動車リサイクル法 ……………………………………………………………………… 4
(3) 衝突安全規制の動向 ……………………………………………………………………… 6
1.1.3 需要の変化 ………………………………………………………………………………… 7
1.2 自動車産業が取り組むべき技術的課題と自動車軽量化 ……………………………… 7
1.2.1 自動車軽量化の目的 ……………………………………………………………………… 7
1.2.2 CO2 排出量削減と自動車軽量化 ………………………………………………………… 8
1.2.3 車両重量 ( 質量 ) 増加 ……………………………………………………………………… 8
1.2.4 自動車軽量化における燃費改造効果 …………………………………………………… 9
1.3 自動車原材料利用形態の変遷 …………………………………………………………… 12
1.3.1 自動車車両平均重量の推移 …………………………………………………………… 12
1.3.2 軽量化技術適用部位 …………………………………………………………………… 13
(1) 動力システムの小型・軽量化 ………………………………………………………… 13
(2) 自動車総重量に占める構成部材比率と素材 ………………………………………… 14
1.3.3 軽量化材料の特性 ……………………………………………………………………… 15
1.4 軽量化のための設計技術 ………………………………………………………………… 17
1.4.1 自動車軽量化の技術手法 ……………………………………………………………… 17
1.4.2 コンピュータによる設計技術 (CAE) …………………………………………………… 19
1.5 自動車軽量化における材料加工技術 …………………………………………………… 22
1.5.1 金属系材料の加工技術 ………………………………………………………………… 22
(1) 合金の鋳造法 …………………………………………………………………………… 22
(2) 鍛造加工技術 …………………………………………………………………………… 23
(a) 鍛造技術の作業温度による分類 …………………………………………………… 23
(b) 鍛造技術の変形形態による分類 …………………………………………………… 25
(3) 金属パネルの成形技術 ………………………………………………………………… 25
(a) 高張力鋼板の成形技術 ……………………………………………………………… 25
(b) アルミニウム合金板材の成形技術 ………………………………………………… 28
(c) アルミニウム合金管材による中空部品の成形 …………………………………… 29
(4) 自動車軽量化における金属系材料の接合技術 ……………………………………… 30
(a) 溶融溶接におけるアルミニウムと鋼材の物性値と溶接技術の適合性 ………… 30
(b) 金属材料の接合技術 ………………………………………………………………… 31
(c) 自動車におけるアルミニウム材料の適用部位と接合方法 ……………………… 34
1.5.2 プラスチック材料の成形技術 ………………………………………………………… 35
(1) 一次加工 ………………………………………………………………………………… 36
(a) 射出成形 ……………………………………………………………………………… 36
（1）
(b) 押出成形 ……………………………………………………………………………… 36
(c) ブロー成形 …………………………………………………………………………… 37
(2) 二次加工としての熱成形 ( 真空成形、圧空成形 ) …………………………………… 38
(3) 成形加工法と成形加工温度 …………………………………………………………… 38
1.5.3 樹脂系複合材料 CFRP の成形技術 …………………………………………………… 38
(1) 炭素繊維の製造加工 …………………………………………………………………… 39
(2) CFRP の母材の種類と成形方法 ………………………………………………………… 42
第 1 章 引用文献 ………………………………………………………………………………… 43
第 2 章 金属材料による自動車軽量化とその技術開発 …………………………… 47
2.1 鉄鋼材料 ……………………………………………………………………………………… 47
2.1.1 自動車における鉄鋼材料利用の概要 ………………………………………………… 47
(1) 鉄鋼材料の使用比率と高強度鋼板採用動向 ………………………………………… 47
(a) 車体骨格部材用 ( 構造部材用 ) 高強度鋼板 ………………………………………… 48
(b) 補強部材用高強度鋼板 ……………………………………………………………… 49
(c) 外板パネル部材用高強度鋼板 ( ∼ 440Mpa) ……………………………………… 49
(d) 足回り部材用高強度鋼板 ( ∼ 780Mpa) …………………………………………… 49
(e) 自動車各部位における高強度鋼板適用の動向 …………………………………… 49
(2) 自動車における特殊鋼線材・棒鋼 ( ボルト、足回りばね、歯車など ) の適用状況 51
(3) 高強度鋼板 ( 高張力鋼板・ハイテン ) の機械的特性と成形性 ……………………… 51
2.1.2 ホットスタンプ ( ホットスタンピング ) 技術の概要 ………………………………… 54
(1) ホットスタンプ用高強度鋼板とホットスタンプ工程 ……………………………… 55
(2) ホットスタンプにおけるプレス成形性 ……………………………………………… 56
(a) 曲げ成形における形状凍結性 ……………………………………………………… 56
(b) 張出し成形性 ………………………………………………………………………… 57
(3) ホットスタンプ技術の利点と課題 …………………………………………………… 58
(4) ホットスタンプの新技術 ……………………………………………………………… 58
(a) 多段ホットスタンピング ( ホットスタンプ ) 技術 ………………………………… 59
(b) 板鍛造工程の工程数を削減するワンショットホットスタンピング技術 ……… 61
2.1.3 自動車外板パネル用鋼板の開発 ……………………………………………………… 63
(1) 蓋物 ( ドア、フード、ルーフ、トランクリッドなど ) 用鋼板の開発 ……… 64
(2) サイドパネル、フェンダー用鋼板 …………………………………………… 65
2.1.4 自動車車体骨格部材用・補強部材用鋼板の開発 …………………………………… 67
(1) 高成形性 980MPa 級超強度冷延鋼板の開発 ………………………………………… 67
(2) 980MPa 級合金化溶融亜鉛めっき鋼板 ( 高強度 GA 鋼板 ) の開発 ………………… 69
(3) 車体骨格部材用超高強度冷延鋼板・GA 鋼板 (980MPa 級以上 ) の動向 ………… 71
(4) 後熱処理型超高強度鋼板 ……………………………………………………………… 73
(a) 高周波焼入れ用合金化溶融亜鉛めっき鋼板 ……………………………………… 74
(b) 2000MPa 級ホットスタンピング用鋼板の組織制御 ……………………………… 75
2.1.5 自動車足回り部材用鋼板の開発 ……………………………………………………… 76
(1) 自動車用 780MPa 級高強度熱延鋼板 ………………………………………………… 77
(a) 高残留オーステナイト 780MPa 級熱延鋼板 ……………………………………… 77
（2）
(b) 高バーリング性 780MPa 級熱延鋼板 ……………………………………………… 77
(2) サスペンション、シャーシ部品用高強度熱延鋼板 ………………………………… 78
第２章 引用文献 (2.1) …………………………………………………………………………… 79
2.2 アルミニウム合金材料 …………………………………………………………………… 82
2.2.1 アルミニウム合金材料の概要 ………………………………………………………… 82
(1) アルミニウム材料の需要動向 ………………………………………………………… 82
(2) 自動車用アルミニウム合金材料の需要動向 ………………………………………… 83
(3) アルミ合金の種類 ……………………………………………………………………… 84
(a) 展伸用アルミニウム合金 …………………………………………………………… 85
(b) 鋳造用アルミニウム合金 …………………………………………………………… 86
(c) アルミニウム合金の調質 ……………………………………………………………… 88
(4) アルミニウム合金の化学成分と機械的性質 ………………………………………… 90
(a) アルミニウム合金の化学成分 ……………………………………………………… 90
(b) アルミニウム合金の機械的性質 ……………………………………………………… 93
2.2.2 車両の材料構成比率の推移とアルミニウム合金使用状況 ………………………… 95
2.2.3 自動車用アルミニウム部品開発とアルミニウム化の動向 ………………………… 98
2.2.4 ダイカスト用アルミ合金、および、鍛造用、パネル用アルミ合金の開発動向 …100
(1) ダイカスト用高耐力アルミニウム合金の開発 ………………………………………100
(2) ダイカスト用高熱伝導度アルミニウム合金の開発 …………………………………103
(3) サスペンション用高強度アルミニウム合金 ( 鍛造用 ) ………………………………105
(4) 自動車ボディパネル用アルミニウム合金板材の開発動向 …………………………107
(5) 内板用 5000 系アルミニウム板材料開発と製造時のコスト削減技術 ………………108
第２章 引用文献 (2.2) ……………………………………………………………………………110
2.3 チタン合金……………………………………………………………………………………112
2.3.1 チタン合金とその需要動向 ……………………………………………………………112
(1) チタン合金の需要動向 …………………………………………………………………112
(2) チタン合金とその特性 …………………………………………………………………113
2.3.2 チタン合金の自動車部品への適用 ……………………………………………………115
2.3.3 四輪自動車排気系用チタン材料の開発技術 …………………………………………116
(1) 四輪自動車マフラー用チタン合金の開発 ……………………………………………116
(2) 自動車排気用部材 Ti-Cu 系合金薄板の開発 …………………………………………118
第２章 引用文献 (2.3) ……………………………………………………………………………119
2.4 マグネシウム合金材料 ……………………………………………………………………120
2.4.1 マグネシウム合金の利用動向の概要 …………………………………………………120
2.4.2 マグネシウム合金の概要 ………………………………………………………………120
(1) マグネシウム合金の特性 ………………………………………………………………120
(2) マグネシウム合金の種類と特徴 ………………………………………………………121
(a) 鋳造用マグネシウム合金 ……………………………………………………………121
(b) 展伸用マグネシウム合金材料 ………………………………………………………122
(3) マグネシウム金属の需給形態 ……………………………………………………………122
2.4.3 軽量化におけるマグネシウム合金の課題 ……………………………………………124
(1) マグネシウムの需要動向と予測 ………………………………………………………124
（3）
(2) 軽量化におけるマグネシウム合金の課題と技術開発 ………………………………126
(a) マグネシウム合金の難燃性に関する技術動向 ……………………………………127
(b) マグネシウム合金の耐食性 …………………………………………………………127
(c) マグネシウム合金 ……………………………………………………………………128
2.4.4 マグネシウム合金による自動車軽量化 ………………………………………………129
(1) 2000 年前後のマグネシウム合金による自動車部品の開発動向 ……………………129
(2) 最近の自動車軽量化動向 ………………………………………………………………131
(a) マグネシウム合金による自動車軽量化の最近の事例 ………………………………131
(b) 今後期待されるマグネシウム合金による自動車部品の例 …………………………132
第２章 引用文献 (2.4) ……………………………………………………………………………133
第 3 章 非金属材料の自動車軽量化とその技術開発 …………………………………135
3.1 プラスチック材料 …………………………………………………………………………135
3.1.1 プラスチック材料の概要 ………………………………………………………………135
(1) プラスチックの生産動向 ………………………………………………………………135
(2) プラスチック材料とその分類 …………………………………………………………138
(3) プラスチック材料の特性概要 …………………………………………………………140
(a) 熱可塑性樹脂の結晶性と非晶性 ……………………………………………………140
(b) プラスチックの耐熱性 ………………………………………………………………142
(c) プラスチックの機械的特性 …………………………………………………………142
3.1.2 プラスチック複合材料の概要 …………………………………………………………146
(1) 複合材料とその分類 ……………………………………………………………………146
(a) 複合材料の分類、種類 ………………………………………………………………146
(b) 炭素繊維とカーボンナノチューブ …………………………………………………148
(c) 自動車軽量化に適用されるプラスチック材料、プラスチック複合材料の体系…148
(2) 不連続繊維強化樹脂複合材料とその特性 ……………………………………………149
(a) 不連続・長繊維強化熱可塑性樹脂複合材料 (LFT または LFRTP) ………………152
(b) ガラス繊維強化ポリカーボネート (PC) の開発事例 ………………………………153
3.1.3 材料構成におけるプラスチック利用の動向 …………………………………………154
(1) 汎用プラスチックの適用例 ……………………………………………………………155
(2) エンジニアリングプラスチックの適用例 ……………………………………………158
3.1.4 プラスチック材料の開発技術 …………………………………………………………159
(1) PA66/ アパタイトナノコンポジット材料の開発 ……………………………………159
(2) ナノラメラ構造により耐衝撃性が向上した PMMA キャスト板 ……………………161
(3) 自動車用ガラス代替品ポリカーボネート (PC) 樹脂の技術動向 ……………………162
(a) 光透過、熱遮断型ポリカーボネート (PC) 樹脂の開発 ……………………………163
(b) 樹脂ガラスの耐摩耗性能向上のための技術開発 …………………………………163
(4) ポリプロピレン (PP) 樹脂の自動車への適用 …………………………………………164
(a) 自動車用ポリプロピレン複合材料の技術動向 ……………………………………164
(b) バンパー用高剛性ポリプロピレン材料の開発 ……………………………………167
(5) 自動車用バイオプラスチックの適用動向 ……………………………………………168
(a) 植物由来樹脂 PA610 の物理的特性 …………………………………………………169
（4）
(b) 耐熱温度が 300℃を超える植物性樹脂 ( バイオプラスチック ) …………………170
(c) 微生物バイオマスを用いたポリイミド (PI) 樹脂の開発 …………………………171
(6) プラスチックのアロイ技術 ……………………………………………………………173
(a) ポリプロピレン PP とポリ乳酸 PLA のポリマーアロイ技術 ……………………173
(b) ポリマーアロイ技術のナノアロイ化 ………………………………………………174
(7) 高熱伝導性樹脂の開発 …………………………………………………………………176
(a) 熱伝導性ポリカーボネート樹脂 ……………………………………………………176
(b) 絶縁性を有する高熱伝導性樹脂とその複合材料 …………………………………178
(8) 熱可塑性エポキシ樹脂の開発 …………………………………………………………180
第 3 章 引用文献 (3.1) ……………………………………………………………………………182
3.2 炭素繊維強化樹脂複合材料 CFRP(CFRTS、CFRTP) …………………………………186
3.2.1 CFRP の需要動向 …………………………………………………………………………186
(1) 炭素繊維の特性 …………………………………………………………………………186
(2) 炭素繊維強化樹脂複合材料の特性 ……………………………………………………188
3.2.2 CFRP 複合材料の適用状況と軽量化効果 ………………………………………………192
3.2.3 自動車への CFRP 複合材料の適用状況と軽量化効果 ………………………………196
3.2.4 自動車用炭素繊維強化複合材料の開発 ………………………………………………197
(1) サステナブルハイパーコンポジット技術の開発 ……………………………………197
(2) 長繊維強化熱可塑性 CFRP(CFRTP) の開発 ……………………………………………202
(3) 長繊維ペレットの射出成形技術 ………………………………………………………204
(4) CFRP 加工メーカーの技術動向 …………………………………………………………205
第 3 章 引用文献 (3.2) ……………………………………………………………………………207
3.3 自動車用エラストマー材料 ………………………………………………………………209
3.3.1 熱可塑性エラストマー材料とその需要 ………………………………………………209
(1) 自動車におけるゴム材料 ………………………………………………………………209
(2) 熱可塑性エラストマー (TPE) の種類と自動車への適用状況 ………………………210
(3) 熱可塑性エラストマーの需要動向 ……………………………………………………212
3.3.2 主な自動車用熱可塑性エラストマーの技術 …………………………………………213
(1) ポリエステル系熱可塑性エラストマー (TPEE) の開発と実用化 ………………………213
(2) 自動車内装材用スチレン系熱可塑性エラストマー (TPS) の開発 …………………215
(3) ポリウレタン系熱可塑性エラストマー (TPU) の開発 ………………………………215
(4) 自動車ウェザーシール用動的架橋熱可塑性エラストマー (TPV)……………………217
第 3 章 引用文献 (3.3) ……………………………………………………………………………218
第 4 章 自動車の車両設計における軽量化技術 ………………………………………220
4.1 車体構造設計技術 …………………………………………………………………………220
4.1.1 高真空アルミダイカスト一体成形部品による軽量化 ………………………………220
4.1.2 CFRP による車体構造の部品統合と軽量化 ……………………………………………222
4.1.3 プラットフォームの車両軽量化 ………………………………………………………224
4.1.4 次世代鋼製環境対応車の設計 …………………………………………………………226
4.2 シャーシ ( 懸架系 ) の軽量化技術 ………………………………………………………229
4.2.1 サスペンションのアルミニウム化技術 ………………………………………………229
（5）
(1) サスペンションリンク、アームにおける超高強度アルミニウム化 ………………229
(2) フロントサスペンションメンバーの軽量化技術 ……………………………………230
(3) 高真空ダイカスト技術とサブフレームへの適用 ……………………………………231
4.2.2 プラットフォームにおけるシステム設計 ……………………………………………232
4.2.3 大拡管ハイドロフォーミング技術によるアクスルハウジングの軽量化 …………234
4.3 燃料系・エンジン周り ……………………………………………………………………236
4.3.1 次世代自動車における軽量化と熱マネジメント ……………………………………237
4.3.2 樹脂系燃料タンクの軽量化技術 ………………………………………………………238
4.3.3 OCV 搭載樹脂製シリンダーヘッドカバー ……………………………………………240
4.3.4 トヨタ紡織 ( 株 ) におけるインテークマニホールド樹脂化 …………………………241
4.4 自動車ドアパネルの樹脂化による軽量化効果 ………………………………………243
4.5 フロントシートの軽量化 …………………………………………………………………244
4.6 アルミニウムによるワイヤハーネスの軽量化 ………………………………………246
第 4 章 引用文献 …………………………………………………………………………………249
第 5 章 自動車軽量化における溶接技術 …………………………………………………251
5.1 超高強度鋼板 ( 超ハイテン ) の溶接技術 ………………………………………………251
5.1.1 超高強度鋼板のスポット溶接における十字引張強さ (CTS) の向上 ………………252
5.1.2 自動車用鋼板溶接におけるレーザー溶接 ……………………………………………256
(1) リモートレーザー溶接におけるプルームによるパワーの減衰 ……………………256
(2) リモートレーザー溶接利用のハイブリッド溶接の
高板厚比 3 枚重ね溶接への適用 ………………………………………………………257
5.2 自動車アルミニウムボディにおけるハイブリッド溶接技術 ………………………258
5.3 異種材料の接合技術 ………………………………………………………………………261
5.3.1 アルミニウム合金材と鋼材の異種金属接合技術 ……………………………………261
(1) 新規アルミ FCW の試作 …………………………………………………………………261
(2) 耐食性の評価と構造部材の試作 ………………………………………………………263
5.3.2 CFRP と金属のレーザー直接接合技術の開発 …………………………………………264
(1) レーザーによるプラスチックと金属の直接溶着・接合 ……………………………264
(2) CFRP と金属のレーザー直接接合 ……………………………………………………267
5.4 自動車用構造接着剤 …………………………………………………………………………268
第 5 章 引用文献 …………………………………………………………………………………269
第 6 章 使用済み自動車のリサイクル ……………………………………………………271
6.1 使用済み自動車のリサイクル関連法案とその運用 …………………………………271
6.2 自動車リサイクルの仕組み ………………………………………………………………275
6.2.1 自動車トータルエネルギーとリサイクル ……………………………………………275
6.2.2 使用済み自動車の処理とリサイクルの考え方と現状 ………………………………276
6.2.3 自動車リサイクル法に基づく再資源化の事例 ………………………………………278
6.2.4 使用済み自動車における ASR の処理とその動向 ……………………………………279
(1) 自動車破砕残渣 (ASR) の資源化・処理に関する LCA ………………………………279
(2) 光学選別機を利用した ASR 由来のプラスチック材料リサイクル及び油化事業 …283
（6）
6.3 繊維強化複合樹脂材料 (FRP) のリサイクルの動向 …………………………………287
6.3.1 ガラス繊維強化ポリアミド樹脂 (GF/PA66) のリサイクル …………………………287
6.3.2 炭素繊維強化樹脂複合材料 CFRP(CFRTS、CFRTP) のリサイクル …………………289
(1) CFRP(CFRTS、CFRTP) のマテリアルリサイクルと LCA ……………………………289
(2) 常圧溶解法による CFRP のリサイクル技術 …………………………………………291
(3) 炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料 (CFRTP) のリサイクル技術 …………………293
第 6 章 引用文献 …………………………………………………………………………………296
（7）
2.1.4 自動車車体骨格部材用・補強部材用鋼板の開発
21 世紀に入ってシート骨格部材やセンターピラーレインフォースなどの補強部材に
980MPa 級鋼板が適用されるようになり、更なる超高強度鋼板の適用拡大が求められて
いる。それに伴い、さまざまな成形方式に応じて必要な機械的特性を有する超高強度鋼板
が開発されている。以下にその主な動向について述べる。
(1) 高成形性 980MPa 級超強度冷延鋼板の開発 引張強度 980MPa 級以上の超高強度冷延鋼板は従来、主としてドアガードバー、バン
パーレインフォースメント ( リインフォースメントの記述もあるがレインフォースメント
とする ) などの補強部材に利用されてきた。しかし、CO2 排出規制要求による燃費性能向
上のための車体軽量化のニーズと、衝突安全性能向上に対する消費者のニーズを両立させ
る目的で高強度化と薄肉化 ( 軽量化 ) を実現するため超高強度冷延鋼板をピラー類、シー
ト部品など車体上部の骨格部材などへの適用拡大が検討されてきている。適用部品の加工
方法に合わせた材料特性面から組織の造り分けは DP 鋼板 ( 複合組織鋼板 ) をベースに行
われている。
( 株 ) 神戸製鋼所の中屋、向井は高成形性を有した 2 種類の 980MPa 級超高強度冷延鋼
板を開発している。これは成形性をさらに向上させ、車体骨格部品用に全伸び特性を高め
た高伸び ( 高 El) タイプ鋼板とシート骨格部品用に伸び (EL)- 伸びフランジ性 ( λ ) のバラ
ンスを高めた EL- λバランスタイプ鋼板である 11)。
高 El( 伸び ) タイプは多量の残留オーステナイトの形態を微細に分散して伸長形状とし
炭素添加量の適正化と高 El を両立させている。この鋼板の成分設計の主要なポイントは
次のとおりである 28)。
①残留オーステナイトを伸長した形状とし組織中に微細分散させる
②強度を低下させる粗大ポリゴナルフェライトの生成を避ける
③実用的なスポット溶接性を確保可能な炭素量とする
El‐λバランスタイプは母相を高転位密度ベイニティックフェライト (BF) としてラス
間に微細な残留オーステナイトγを導入することで高い El- λバランスを実現している 11)
(TRIP aided banitic ferrite 鋼：TBF 鋼 )28)。
図 2.1.4-1 にこの 2 種類の 980MPa 級超高強度冷延鋼板の EL- λ値のバランスを示す。
− 67 −
高成形性を有する 6000 系合金が開発され、ドアのアウターパネルは 6000 系、ガードバー
は 7000 系押出材、インナーパネルは 5000 系としてアルミニウムドアの軽量化が図られ
たとしている 16)。
日産自動車 ( 株 ) では 1990 年代初頭にサスペンション部品のアルミニウム化として、
鋳鉄をアルミニウム合金鋳物に置き換えたナックルを開発した。高い強度と延性が必要
な部品であることから、材料は鋳造性がよく、機械的性質が優れた AC4CH-T6 を採用し、
SDC( スクイーズダイカスティング ) 工法で製造されている。
鋳物は形状設計自由度が高いことから部品一体化と断面形状と厚さ変更への対応が可能
であるとして、サスペンションリンク、サスペンションメンバーのアルミ化が続けて行わ
れている。工法は高真空ダイカストである。高真空ダイカストを適用することにより鋼板
のプレス溶接構造より軽量、高剛性なサスペンションメンバーが可能となり鋼板によるサ
スペンションメンバーより 6kg の軽量化を達成している 16)。
日産自動車 ( 株 ) ではさらに、アルミニウム合金鍛造品は強度、耐力、伸びがアルミニ
ウム合金鋳造品に比べて優れているため高い軽量化が期待できるとしてサスペンション
リンク類の材料変更を行っている。軽量化率は大きく、6061 を高強度化した 6000 系合
金を 1999 年から適用して大幅な軽量化を行っている。サスペンションリンク類は軽量化
とともにアルミニウム合金鋳造品から高強度なアルミニウム合金鍛造品へと進化してい
る 16)。
このように日産自動車 ( 株 ) では、サスペンション部品のアルミニウム化をアルミニウ
ム合金鋳物材、アルミニウム合金鍛造材を適用して行い、軽量化が進められている。
また、バンパーやドアガードバーなどに均一断面形状で優れた強度、耐力、伸びを示す
6000 系合金、7000 系合金のアルミニウム合金押出材を適用している。
2.2.4 ダイカスト用アルミ合金、および、鍛造用、パネル用ア
ルミ合金の開発動向
アルミニウムの輸送機器への適用は航空機とともに始まり、アルミニウム合金の高強度
化はジュラルミンの進展によるところが多い。
自動車用のアルミニウム合金材料が開発、検討状況についてされているか概観する。
(1) ダイカスト用高耐力アルミニウム合金の開発
自動車のエンジン部品、パワートレイン部品には Al-Si-Cu 系アルミニウム合金ダイカ
ストである ADC12 が主に使用されている。( 株 ) アルキャストの渡邉 18) らは、エンジン
部品、パワートレイン部品の薄肉軽量化のため、ADC12 より耐力が高いダイカスト用ア
ルミニウム合金を検討している。これらの部品は気密性、耐圧性が厳しく要求されること
から引け巣、凝固割れの防止が必須である。このような観点から、渡邉らは ADC12 の組
成成分にこだわることなく、開発するダイカストの組成について検討し、鋳放しで耐力≧
220MPa、伸び≧ 3％を目標とした。
ベースの合金は Al-Mg 系合金で、Mg の影響を調べる最初の段階では Mn が 0.5％、Ti
が 0.15％含まれている。そのほかに Si は 0.1％未満、Fe は 0.15％以下が含まれている (％
− 100 −
3Cr といった高強度・高靭性の材料が使われている 1)。
一方、航空機エンジンでは、使用限界温度が 300℃∼ 450℃の部品では Ti-64 の適用部
位が多いが、500℃以上の高温域で使用される部品では IMI829、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MoS、
Ti-48Al-2Cr-2Nb などが適用されている。
一般にチタン合金は原料が高価である、機械加工性が悪い ( 難削材 )、加工費が高いな
どの問題があり、自動車部品として適用される部位は限定的である。最近の例では、マフ
ラー用 Ti-0.9SA(Ti-0.5Al-0.35Si)6)、Ti-1Cu、Ti-1Cu-0.5Nb7) などが検討されている。いず
れの材料も廉価な添加元素を採用し、加工性を向上させて部品のコスト低減を図ってい
る。
( 株 ) 神戸製鋼所の多田ら 6) の報告では、二輪車では軽量性、耐食性、高級感のある意
匠性などで大排気量車のマフラーへの採用は定着しているが、四輪自動車のマフラーなど
の排気系では高温強度、耐高温酸化性が要求され、チタン合金の適用が期待されるがコス
トの点で高級四輪車などの一部に採用が留まっている 6)。
また、自動車における炭素繊維強化樹脂複合材料 (CFRTP) の適用は、2020 年以降から
の本格実用化すると言われている 5)。CFRTP 部品の成形サイクルタイムが短縮され、産業
用途を中心に CFRTP の採用が拡大してくると炭素繊維の価格が低下してくる。航空機に
おける CFRP の採用が拡大してくることも考慮するとチタンの需要も拡大が想定される。
しかし、四輪自動車のマフラーへの本格的適用や、CFRTP の適用による自動車のその
他の部品へのチタン合金の適用拡大では、チタン材料の製錬コストの低減や、難削材料で
あることから、部材加工の生産性向上が必要であると推察される。
2.3.3 四輪自動車排気系用チタン材料の開発技術
(1) 四輪自動車マフラー用チタン合金の開発
( 株 ) 神戸製鋼所の多田ら 6) は同社が開発した KS Ti-1.2ASNEX(Ti-0.5Al-0.45Si-0.2Nb)
を改良し、より廉価で加工性の良い四輪自動車マフラー用チタン合金を開発している。多
田らの基本的な考え方は、廉価を目的とするため高価な Nb の使用を避けて Al と Si だけ
が添加されたチタン合金において Al と Si の添加量の適正なバランスについて検討して新
しい合金をするものである。しかし、耐高温酸化性向上に寄与する Nb を無添加とするこ
とで KS Ti-1.2ASNEX に比べて耐高温酸化性は低下することから、750℃の大気雰囲気中
200 時間保持後の酸化重量増加を KS Ti-1.2ASNEX の 1.5 倍以下にすることを目標として
Al および Si の組成を検討している。
試験片での高温強度は ASTM E21 に準拠して 700℃において引張試験で評価を行った
結果、Al 量の増加とともに引張強度は一様に増加するが、Si 量は 0.35％以上添加しても
引張強度は増加せず 0.35％が限界となっている。
750℃の大気雰囲気中 200 時間保持後の酸化重量増加に及ぼす影響については、Al、Si
量の増加にしたがって酸化増量が減少する。Si は 0.1％の添加でも酸化増量が大きく抑え
られ耐高温酸化性に有効であることが示されている。また、Al の添加量増加も耐高温酸
化性向上に有効であるが、0.5％以上の添加では飽和するとのことである。図 2.3.3-1 に
酸化重量増加に及ぼす Al、Si 添加量の影響について示す。ここでは KS Ti-1.2ASNEX、従
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図 3.1.4-10 衝撃強度と曲げ弾性率のエラストマー添加量依存性
出典：高山晃史、他、Toyota technical review、Vol.56No.2,(2009.2)、p.94 図 7
得られた結果から耐衝撃性を向上させ、その他の物性値も目標に到達している。表
3.1.4-9 に PP/PLA アロイの物性値を示す。
表 3.1.4-9 PP/PLA アロイの物性値
出典：高山晃史、他、Toyota technical review、Vol.56No.2,(2009.2)、p.94 表 4
(b) ポリマーアロイ技術
東レ ( 株 ) の小林は、従来のポリマーアロイ技術を進展させ、従来に比べて、少量のア
ロイ成分を添加するだけで大きく特性を改良できる ナノアロイ 技術を開発している 49)。こ
の技術で、ポリ乳酸の中に、従来のポリマーアロイに比較して少量の高性能ポリマーをナ
ノメートルレベルで微分散させて結晶化速度を向上させ、射出成形で熱変形温度 100℃
以上の成形品を得ることができた。従来のポリ乳酸の耐熱温度が約 60℃であることから、
ナノアロイ 化で耐熱温度 100℃以上のポリ乳酸アロイが得られている。これまでのポ
リマーアロイはアロイ成分の分散がマイクロメートルレベルであったため、飛躍的な特性
の向上には限界的であったが、分散をナノメートルレベルまで微細化して特性を向上させ
た 49)。 ナノアロイ は東レの登録商標である。
小林は、この技術をさらに進化させ、樹脂の三次元連続構造をナノオーダーで形成す
ることを実現して、
「自己組織化 ナノアロイ 」を実現している。この技術では異なる 2
種類をアロイ化して、それぞれの樹脂の優れた特性のみを引き出すことが可能になった。こ
の三次元連続構造で 2 種類のポリマーが連続的につながって均一な組織を作り上げ、両方
の樹脂の特性が最大限に生かされたものである。この自己組織化は、外部から特別な力を
与えなくとも分子が一定の規則を持って整列する自然界の普遍のメカニズムであり、
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BMW は、2005 年のスポーツカーではフロントとリアのバリパービームにも CFRP を
適用し、2013 年では電気自動車 BMW i3 の上部に CFRP 製のものコックボディを適用し
た。BMW の「i」シリーズは車体の主材料に CFRP 適用し、これは量販車としては世界で
初として注目された。さらに、2015 年、高級車「7 シリーズ」骨格心材に CFRP を適用し、
「先代モデルから最大 130kg もの軽量化を実現」すると発表した 20)。
参考として、CFRP による航空機の軽量化効果についても紹介する。航空機に広く使
用されている CFRP は、要求される機械的特性からエポキシ樹脂をマトリックスとす
る CFRTS である。2011 年に就航したボーイング社の B787 では一機当たり 30 トンの
CFRP(CFRTS) を使用していると推定されるが、機体重量としては 20％軽量化でき燃費の
向上に大きく寄与している 2)。1980 年代に CFRP を適用した部位は二次構造部分である
が 1995 年の B777 では一次構造、二次構造部位へとその適用を拡大している。そして
2011 年の B787 では主翼、胴体へと適用範囲を拡大して 20％の軽量化が行われ、60 ト
ンの機体重量が 48 トンになった ( 図 3.2.3-2)。
図 3.2.3-2 CFRP による航空機の軽量化効果
出典：本田史郎、CFRP の動向、接着の技術、Vol.32,No.4,(2013)、p.5 図 2.7
3.2.4 自動車用炭素繊維強化複合材料の開発
(1) サステナブルハイパーコンポジット技術の開発
自動車軽量化を目的とした炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の開発は国家プロジェク
トでとりくまれた（平成 20 年∼ 24 年「サステナブルハイパーコンポジット技術の開発」）1)。
このプロジェクトでは共通基盤技術として 4 つの研究開発項目、実用化技術として 2 つ
の研究開発項目に対して各々目標が設定された。
基盤技術としては、
①易加工性 CFRTP 中間基材の開発
②易加工性 CFRTP の成形技術の開発
③易加工性 CFRTP の接合技術の開発
④易加工性 CFRTP のリサイクル技術の開発
また、実用化技術として、
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