UACJ Technical Reports Vol.2 No.2（2015年度）

UACJ Technical Reports, Vol.2 pp. 96-16 技術展望 技術解説 新倉 昭男 * Recent Trend of Automotive Lightweighting Akio Niikura Keywords: aluminum, automobile, fuel consumption regulation, light-weighting, multi-material １ はじめに F-15 は 年間 8 万台程度を販売する全米トップセー ルスのモデルであり 金属産業に与える影響も大き 188 年代にガソリンを燃料としたエンジンを搭載し い 2 これまでエンジンなどにアルミニウム鋳物が使 た自動車が誕生して約 13 年がたち 198 年に初の量 用されていたが フードなどのパネル類 バンパー 産自動車である T 型フォード が発売されてから 1 ビームなどのアルミニウム押出材 サスペンションな 年余が経過した 当時は 電気自動車 ハイブリット どのアルミニウム鍛造材などに加え 構造部材におい 車などもあったが 長い歴史の中でガソリンエンジン てもアルミニウム展伸材の適用が進展している 4 7 が主流となり 自動車は大きく発展してきた 1 現在 本稿では 自動車の生産動向 軽量化へ駆動力とな の先進国では 自動車普及はほぼ完了したと考えられ っている法的規制の概略について触れ その後それぞ るが 人々の生活に密接関わる自動車の潜在的な改良 れの軽量化素材の開発動向 軽量化素材使用に関する ニーズは依然として強く 自動車産業は新たなイノベ 周辺技術動向について解説する なお アルミニウム ーションを生み出し続けている 近年では 資源価格 材料の詳細な開発動向 周辺技術動向に関しては 本 の上昇や地球環境問題の対応が必要であり 燃費 が 自動車特集号に個別の解説記事があるので それを参 自動車のイノベーションにおける重要なキーワードに 照されたい なっている 燃費改善のために ハイブリッドや燃 2 料電池などパワートレインの技術開発が進められてい 2 自動車生産 るが 車両重量の軽量化も有効な手段の一つであり 1 kg 軽量化により 1 km/l の燃費向上の効果がある 2.1 といわれている 3 一方 衝突安全基準の強化や搭載 乗用車と商用車をあわせた世界の生産台数は Fig.1 電子機器の増加などにより車両重量は年々増加する傾 に示すように 197 年代から 1995 年頃までは 約 3 千万 向にあり 車両の軽量化は自動車メーカーの重要なテ 台から約 5 千万台であったが 1995 年頃より大きく増 ーマである 自動車の軽量化において最も有効な手法 加 傾 向 と な り 213 年 に は 約 8,8 万 台 に 達 し た 8 は アルミニウム マグネシウム ハイテン CFRP 29 年以降 世界最大の市場がアメリカから中国へと などの軽量化素材を用いることであり 年々軽量化素 代わり 中国 インド ASEAN などの新興国の市場 材の使用比率が増大している アルミニウムは比重が が急速に拡大したためである 長い間 自動車需要の 鉄の約 1/3 2.7 で 実用構造用金属としては Mg に次 中心を担ってきた北米 西欧 日本などの先進国市場 いで小さく 軽量化に非常に有効な材料である 北米 では 既に自動車が広く普及しているため 自動車の で発売された 215 年モデルの Ford F-15 では オール 保有率は大きく変わらず 自動車販売は買い替え需要 アルミニウム製のボディが採用され アルミニウムボ が中心である 一方で 新興国市場では自動車の保有 ディの本格的な普及に向けた第一歩となった Ford 率が低く 自動車販売は新規需要が中心となる 自動 * 32 世界の自動車生産 株 UACJ 技術開発研究所 第六研究部 No. 6 Research Department, Research & Development Division, UACJ Corporation

97 車生産の伸張により エネルギー消費の増加や 大気 ている 自動車用アルミニウム部品の採用は 8 年代 汚染 交通渋滞などの自動車保有台数増加による弊害 後半から急速に進み バブル経済崩壊後にその伸びは が顕在化している 各国政府は 燃費規制 排ガス規制 鈍化したかのように見えるが 2 年以降アルミニウ 安全規制などの規制強化を行い このような弊害に対 ムの需要量は急速に伸びている 自動車向けアルミニ 応している ウム生産量を自動車生産台数で除した値を １台あた 9, 1 りのアルミニウム使用量として Fig.2 中に示した 1 台 2.2 日本の自動車生産 あたりのアルミニウム使用量は年々確実に増加してき ており 今後も自動車向けアルミニウム製品の需要は Fig.2 に日本国内の自動車生産台数と自動車向けアル ミニウムの生産量の推移を示す 高まっていくと予想されている 日本の自動車の国 11 内生産数は 199 年ごろから漸減傾向にあるが 自動車 に用いられるアルミニウム材の需要は順調に伸びてき 1, 9, Others Production (x1) 8, China 7, South Korea 6, Mexico 5, India Russia 4, Brazil 3, France Spain Germany 2, Japan 1, Canada United States 61 71 81 91 94 95 96 97 98 99 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Year Fig. 1 Forging, die casting Extrusion Sheet Cast Motor vehicle production Passenger cars production Aluminum volume per a passenger car 18 16 14 1 1,7 1,6 1,5 1,4 12 1,3 1,2 1 1,1 8 1, 6 9 8 4 7 2 Production vehicles Aluminum volume per a vehicle/kg Aluminum production for vehicles/ 1 ton World production of motor vehicles passenger cars and commercial vehicles 8. 6 198 1986 199 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 21 211 5 Year Fig. 2 Japanese production of passenger cars and aluminum production for vehicles 11. 33

98 ンチマークとする燃費目標が設定され 215 年度 16.8 3 自動車の規制 3.1 km/l 22 年度 2.3 km/l である 22 年度基準に 自動車の燃費規制 おいては 欧米同様の CAFE 方式が採用された 12 中 日 欧 米 の 各 地 域 に お け る 燃 費 基 準 を Fig.3 に 示 す 国では 中国で販売される乗用自動車の平均重量は年々 自動車の燃費規制は 197 年代のオイルショッ 増加しているが 重量の大きい車両にはより厳しい体 ク期に端を発している 日米では 原油を中心とする 系になっている 自動車の燃費規制の導入および強化 エネルギー消費削減を目的として燃費規制が行われて で CAFE 方式によって車両群全体に規制の網をかけ き た 米 国 で は 1975 年 に エ ネ ル ギ ー 政 策 保 存 法 るようになり 自動車メーカーは電気自動車や燃料電 Energy Policy and Conservation Act で乗用車と小 池車などを開発するだけでなく 台数で大部分を占め 11 型トラックは 企業別の平均燃費の改善目標 CAFE 規 る内燃機関車での燃費底上げが求められている 制 が設定された CAFE Corporate Average Fuel Economy 規制は 自動車メーカー別の平均値に規制 3.2 をかける方式である 米国の CAFE 方式では 27 年 国土交通省と自動車事故対策機構では 1995 年度よ から車両を投影面積 footprint 左右両輪間の距離と前 り 自動車アセスメント を実施している 13 乗員保護 後軸の距離の積 で区分することが導入されている 重 性能評価として フルラップ前面衝突試験 オフセッ 量を軽くすれば 車体が大きくても基準燃費が高くて ト前面衝突試験および側面衝突試験の三つの衝突試験 済むため 大型車志向の米国自動車需要を反映した制 の実施があり 感電保護性能試験 後面衝突頚部保護 度である 225 年までに平均燃費が 23.2 km/l 乗用車 性能試験などもある また 歩行者保護性能試験とし および小型トラック となる目標を設定している 一 て 頭部保護性能試験 脚部保護性能試験およびブレ 方 欧州においては 燃費規制ではなく CO2 排出規制 ーキ性能試験などがある これらは 年々試験項目が 12 自動車の安全規制 を敷いている 自動車の CO2 排出量は燃費に反比例す 増えており 歩行者脚部保護性能試験および衝突後の るため 2 つの規制は同じ効果を持つ EU と ACEA 感電保護性能評価は 211 年度から採用され 214 年度 欧州自動車工業会 の間で 乗用車に対し 215 年の からは予防安全性能評価も開始されている 衝突安全 13 g/km 17.8 km/l と 22 年の 95 g/km 24.4 km/ 基 準 の 厳 し い 北 米 で は 米 国 道 路 安 全 保 険 協 会 L で 2 つの CAFE 方式による規制を導入し 215 年時 Insurance Institute for Highway Safety, IIHS が 点で 世界で最も厳しい規制となっている 日本では 212 年から Fig.4 に示すような スモールオーバーラッ 改正省エネ法で その時の最高の性能を持つ車両をベ プ 衝突の試験を始めた 14 ベンツ C クラス アウディ *1 Fuel consumption/ km /L*1 *2 Estimated fuel consumption EU: Regulations on gasoline-powered vehicles 25. 2. 15. 1. 5. 25 Fig. 3 34 28 21 212 215 217 22 225 Fuel consumption regulation of Japan, USA and Europe 11.

99 A4 などが低評価になるなど 衝突安全性はほぼ横並び 及の妨げとなっている 燃料電池を搭載する電気自動 だと思われていたものに差が出ている 15 このような 車である燃料電池 FCV 車は価格の引き下げと水素イ 衝突安全基準の強化に伴い これらの試験に対する高 ンフラの普及が需要拡大の鍵である エンジンの小排 い評価を得るためには 車両重量がさらに重くなる 気量化と同時に 走行性能の低下を過給機で補うダウ これらの基準に対応した安全性の高い車両を設計し ンサイジング車は ハイブリッド車と比べると改善幅 かつ 車両重量を増加させないために さらなる自動 が少ないが ディーゼル車などの内燃機関車の中では 車の軽量化が求められている 大部分を占めていく可能性がある 需要拡大の可能性 として 23 年には HV 車 1,49 万台程度 PHV 車 3.3 自動制御運転と安全規制 74 万台程度 FCV 車 99 万台程度 ダウンサイジン 現在 22 年までの自動運転の実用化を目指して日 グ車 25 万台程度の需要が予想されている 18 本 米国および欧州において技術開発が進められてい る 16 自動運転には 緊急時にドライバーの運転を支 4 各種素材の技術動向 援する技術と 完全な無人運転をする技術がある 前 者は 安全上の問題も少ないのでより高度化しており Fig.5 に車両重量と燃費の関係を示す 15 車両重量を 後者は 大きく進歩しているが事故時の責任問題など 軽減させると 燃費は向上することがわかる 特にハ の法整備も課題である 将来 自動運転機能をもつ自 イブリッド車 HV は 軽量化による燃費向上効果が大 動車が市場の多くを占めた場合 多くの自動車が衝突 きい 自動車の軽量化には軽量材料への置換が効果的 を回避できるようになる可能性がある 仮に自動車の であり ボディおよび部品の鉄鋼からアルミニウムへ 安全基準が変更されるようになれば 自動車の安全設 の転換 さらに樹脂や CFRP 炭素繊維強化プラスチッ 計も変更となるが まだ将来のことである 安全確保 ク など軽量化素材への置換が検討されている 自動車 のために追加された部品を減らし 車体の軽量化の可 用材料は 鉄鋼主体から アルミニウム マグネシウム 能性を秘めているため 動向には注目が必要である や複合材などの軽量化素材の比率を増加させて多様化 マルチマテリアル化 に向かうと考えられる 16 国際 3.4 自動車の規制とパワートレインの動向 世界の自動車生産は 225 年には 1 億台に到達する生 自動車工業連合会 OICA Organisation Internationale des Constructeurs d'automobiles は欧州車を例に取り 産になるとみられているが 世界が環境配慮型シナ Fig.6 に示すように マルチマテリアル化を予測してい リオを選択し エンジン車の乗り入れ制限などの環境 る 2 現状では鉄鋼が圧倒的に多いが アルミニウム 負荷低減策が強く推進されると 自動車の電動化が急 がその比率を増大させつつ マグネシウムと CFRP が 速に進む可能性がある 実用化を目指して開発中 という段階である 今後 8 エンジンと電気モーターを 17 組み合わせたハイブリッド HV 車は 多くのメーカ 各材料において高性能化やコスト低減などの開発が進 ーがその重要性を認識し 将来のプラグイン化によっ められるとともに これら材料の組み合わせによる最 て燃費の大幅な向上を図ることができるという拡張性 適化が図られることになる まず これらの材料ごと が魅力である ハイブリッド車に充電機能を搭載した の個別の技術動向を示す プラグイン ハイブリッド PHV 車は 電池価格の低 下などが進めば 燃費の向上には有力な選択肢である 二次電池を搭載し 電気モーターのみを動力とする電 25 of vehicle width Vehicle centerline Fig. 4 Vehicle overlap with Flat 15 small overlap barrier small overlap barrior crash test 14. Fuel consumption/km/l 気自動 EV 車は 現時点では電池の性能が足りず普 45 MT AT CVT HV 215 regulation 22 regulation 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 Vehicle weight/kg Fig. 5 Weight of passenger cars and fuel consumption 19. 35

1 PLAST /COMP Other Metals Other MAT Glass ALUM PLAST /COMP 4.1 アルミニウム合金 211 - Estimation Other MAT Glass Other Metals ALUM 22 - Estimation STEEL STEEL Fig. 6 Average European material weight distribution 2). Table 1 にアルミニウムと他の素材と特性の比較を 示す アルミニウムは, 比重 2.7 と鉄の7.8 より軽く, 表面にできる酸化被膜のため耐食性に優れ, 熱伝導率が高く, 鋳造性がよいなどの特性がある 鉄鋼と比較すると, 伸びや形状凍結性が悪く, 成形性が劣っている面もある しかし, アルミニウムは, 他の軽量化材料と比較では, 強度と延性のバランスに優れ, 塑性加工用の材料として適している たとえば, 自動車の外板に使われるパネル類では, 張り剛性が重要となる この張り剛性は, ヤング率 Eと板厚 tの3 乗をかけたEt 3 に比例する したがって, 引張強度によらない値であるので, 鉄鋼を高強度化しても張り剛性は変化しないため, アルミニウム化による軽量化効果が大きい これに対して, 構造部材においては, 部材剛性や耐久性が重要となる 部材剛性は,Etに比例するので, 比重の小さいアルミニウムを使用しても, 張り剛性と比較して軽量化効果は少なくなる しかし, アルミニウムは押出や鍛造によって製造できるため, 断面の形状を 様々に設定できる リブをつけるなど断面形状を工夫することによって, 部材剛性を向上できるメリットがある 耐久性は引張強度に比例するので, 航空機に使われている7 系高強度合金などの高強度化の開発も進んでいる 多くの板厚決定要因において, アルミニウムは軟鋼と比較して,1/2 ~ 1/3の軽量化が可能と考えられている Fig.7にアルミニウム合金の自動車ボディの適用例を示す 21) アルミニウム板材の特性向上や成形加工方法の進歩により, フード ( ボンネット ), トランクリッド, ドアなどのボディパネル類のほとんどにアルミニウム板材が適用されている Fig.8にドライブトレーン パワートレーンの1 例を示す 21) 全体として鋳造材が多く, エンジンブロック, サスペンションアーム, サブルレームなどにアルミニウムが使用されている 自動車へのアルミニウム合金の適用は, エンジン部品, ホイールなどのコストパフォーマンスの大きい鋳物やダイキャスト品から始まった 板材としては, アルミニウムの持つ軽量性, 熱伝導性, 耐食性などの優れた諸特性により熱交換器 ( カーエアコン, ラジエーターなど ) 用途への歴史が長い 軽量化ニーズの高まりと共に, 運動性能が向上するサスペンションアームなどの足回り部品に鍛造品が使われ, 重心から遠いバンパーレインフォースに押出材が使われた フード, トランクリッドなどでは板材がスポーツ車および高級車で採用されている 衝突エネルギー吸収性の必要なドアインパクトビームなどには, 任意の断面形状を取れる利点のある押出材が多用されている さらに, 軽量化が主な利点のサブルレームやサイドドアのアルミニウム化が行われている これらアルミニウム部品は, 現有設備が活用できる後付け部品であり, 鉄鋼用に構築された自動車生産ラインを大幅に変更せずに適用できるメリットがある 車体構造部材をアルミニウム化する場合は, 生産ラインを変更する設備投資が必要である点が課題である 近年では, 構造部材へのアルミニウム板材適用の検討も活発化しており, さらなる用途拡大が期待される Table 1 Properties of aluminum alloy and other materials. Materials Tensile strength MPa Yield strength MPa Elongation % Young s modulus (E) kn/mm 2 Specific gravity Specific strength (T.S./p) 1 6 mm Specific rigidity (E/p) 1 6 mm Aluminum 5182-O 27 13 26 71 2.7 1. 26 Magnesium MDC1A 234 159 3 44 1.7 13.3 25 Resin SMC 7-1.5 11 1.8 3.9 61 Steel SPCC 31 18 42 21 7.8 4.2 27 36 UACJ Technical Reports,Vol.2(2)(215)

4.3 11 マグネシウム マグネシウムは比重 1.8 と実用金属中最も軽く 比強 度 比剛性および熱伝導率が高い 振動や衝撃を吸収 しやすい 電磁波遮蔽能が高いなどの特徴を有してい る 実用に際しては アルミニウムと亜鉛を基本添加 元素とし 強度や耐熱性などの特性を高めた合金が用 いられている 25 年時点での車 1 台当たりの使用量 は 欧州で 6 kg 日本では 2 kg と ごくわずかにとど Fig. 7 Examples of aluminum upper body. 21 まっている 17 燃えやすい 耐食性が低い 加工性が アルミニウムよりも劣る 高価であるなどが普及の進 まなかった理由である 価格低減も達成すべき課題の 一つであり 板材でまずは 1 kg 当たり 2, 円以下 さ らには 1, 円以下が目標価格となるもようである 17 最近では マグネシウムの鋳物が Mercedes-AMG GT のフロントモジュールおよび Jaguar XF のフロン トモジュールに使用されている 23 開発のハードルは 多くまた高いが マグネシウムの軽さは魅力の一つで ある 4.4 Fig. 8 Examples of aluminum drivetrain and powertrain 21. CFRP CFRP carbon fiber reinforced plastics は炭素繊維 と樹脂を複合した炭素繊維強化プラスチックであり 鉄鋼と比較して比重が 1/4 強度が 1 倍と優れた材料 4.2 鉄鋼 である 17 CFRP は 自動車よりも航空機や圧力タン 強度 耐食性 成形性 表面処理性など様々な要素 クなどでの採用が多く 樹脂には熱硬化性樹脂を使用 が求められる自動車材では 主として鉄鋼が用いられ しオートクレープ工法で成形されている オートクレ てきた 2 年頃には 8 割といわれた比率は現在 7 割 ーブという加圧可能な窯を利用し 炭素繊維と樹脂を 程度と推測され 今後も比率低下の傾向と考えられ 予め馴染ませてある部材 プリプレグなど をオートク る 炭素などの元素を.1 単位で添加し 組織 レーブで加熱し硬化し成型する工法である 熱硬化性 の制御などを行って高強度化したハイテンによって薄 樹脂によるオートクレープ工法は コストが高く硬化 肉化および軽量化が進み 日本では車に使用される鉄 時間が長いため 大量生産を必要とする自動車には適 鋼中のハイテン比率は 215 年で 6 割近くまで高まって していない 自動車では 成形時間の短い熱可塑性樹 いる 欧米がホットスタンプを採用する一方 日本 脂を使用して短時間で成形を適用することで 成形コ は 鉄鋼メーカーが成分制御と安定した生産を行える ストを下げる開発が進んでいる CFRP は自動車軽量 技術力により冷間プレスのハイテンを供給し 自動車 化に大きく貢献する材料であることから 自動車ボデ メーカーもそれに対応する設備投資を行ってきたため ィへの適用において大きなメリットがあり 今後数量 ホットスタンプを採用する方向になかった ホットス が増加していくと考えられるが コストが課題のため タンプは ハイテン材の課題である形状凍結性の低下 自動車材料として一定比率を占めるまでにはまだ時間 を改善し アルミニウムめっきによるスケール 酸化皮 がかかると思われる 最近では BMW 7 シリーズに 膜 発生の抑制 加熱炉と冷却方法の工夫などでコスト CFRP が採用されている 23 CFRP をピラーなどのフ 高も改善されてきて 日本でも採用が始まっている レーム構造に多用して軽量化したことが特徴である ホットスタンプの課題は 材料面では 耐水素脆化特 外板はアルミニウム 骨格は基本的にスチールで 補 性や疲労特性の低下 製造面の課題としては質 量と 強材として CFRP をパッチワーク的に使用して 前モ もに十分なホットスタンプ部品を供給できるサプライ デル比で 13 kg の軽量化を実現した CFRP は これ ヤーが日本にないことなどがある 鉄鋼は自動車の主 まで i3 のように外板やキャビンフレームに使われたケ 要材料であるが 徐々にその比率を下げてきている ースはあるが BMW では補強材として CFRP を使い 17 22 37

12 剛性確保と軽量化を両立させた 4.5 接合技術これまで述べてきたように, 自動車材は鉄鋼主体から, アルミニウムをメインとして, マグネシウム, 複合材などの軽量化素材の比率を増加させたマルチマテリアル化が検討されている 各材料において高性能化などの開発が進んでいるが, これら材料の組み合わせによる最適化および異種材料を接合する技術が重要な課題となっている アルミニウムは熱, 電気伝導度および線膨張率が高く, 溶接はやや難しい面がある また, 同じ素材で特性の異なるものを複層化することや, 異種材料を複合化やサンドイッチ化することによりおのおのの長所を兼ね備えさせることも検討されている アルミニウム合金の接合においては, 高速回転の摩擦熱で塑性流動を起こして接合する摩擦撹拌接合 (FSW: friction stir welding) などの固相接合や FDS *1) (flow drill screw) に代表される機械的接合などが使われ始めている また, レーザー溶接, アーク溶接とレーザーを複合したハイブリッドレーザーなどさまざまな接合方法も開発されている 米国 Fordが, アルミニウムボディとした, ピックアップトラックの代表的車種であるF-15では, 従来 7,あったスポット溶接が 4,のリベット接合になった 23) アルミニウムと鉄鋼, アルミニウムと樹脂の異材接合技術も多種多様である 詳細は, 本誌の自動車用アルミニウム合金の接合技術を参照されたい 5. 自動車におけるアルミニウムの現状と予想 化適用事例を示す 11) 日本の自動車メーカーはいずれも, ボディの一部にアルミニウムを使用している車種をもち, そのほとんどはフードである 国内でのアルミニウムパネルは,1985 年にマツダ ( 株 )RX-7 のフードに初めて採用されて以降, スポーツカーや高級車を中心に適用が進展した 本田技研工業 ( 株 ) は199 年, 世界で初めてオールアルミニウムボディ車 NSXを発表した その後, トヨタ自動車 ( 株 ) のレクサスやプリウス, 日産自動車 ( 株 ) のフーガやリーフ, 富士重工業 ( 株 ) のレガシーなど量産車へのアルミニウム採用も本格化している 適用部位もフード以外に, バックドア, トランクリッド, ルーフ, ドアなどにも拡大している 最近では, マツダ ( 株 ) の新型ロードスターで, フェンダーにアルミニウムを採用している Table 3は, 欧州の自動車ボディパネルへのアルミニウム化適用事例を示す 11) 欧州は, フード以外の部位へ適用拡大しており, オールアルミニウム車も実用化されるなど自動車のアルミニウム化が最も進んでいる AudiはR8などでスーペースフレームを使ったオールアルミニウム車を,Jaguarはモノコック構造のオールアルミニウム車を採用している 欧州車では2 割以上がアルミニウムのフードとなっている 17) Fig.9 に212 年の欧州車の自動車メーカーごとのアルニウムの平均使用量を示す 25) JagureやPorsheなど高級車にアルミニウムの使用量が多い また,14 kgのアルミニウムを使う車の部品ごとの内訳をfig.1に示す 25) 今後, ボディへのアルミニウム適用が増えて, その比率が増加すると考えられる Table 4は, 米国の自動車ボディパネルへのアルミ アルミニウムボディの採用は, 量産ベースでは1994 年のAudi A8がエポックメイキングとなった 215 年モデルのFord F-15にアルミニウムボディが採用され, アルミニウムボディの本格的な普及に向けた第一歩となったと考えられる ピックアップトラックの代表的車種であるF-15は, アルミニウムボディなどの採用によって32 kg の軽量化を図った 17), 23) 塗装 乾燥工程においては, 従来のスチールボディ+アルミニウムフードが, 新型ではアルミニウムに一本化されるため簡潔化された Ford F-15 は, 年間 8 万台程度を販売する全米トップセールスモデルのため, 材料供給面でも課題が出ている Table 2は, 日本の自動車ボディへのアルミニウム *1)EJOT 社の商標 Table 2 Examples of aluminum closure panels in Japan 11). TOYOTA PRIUS SAI 86 LEXUS LS LEXUS GS LEXUS IS LEXUS HS LEXUS CT LEXUS NX SUBARU BRZ FORESTA LEVORG MAZDA ROADSTER Application parts, Back door, Back door, Trunklid, Fender NISSAN FUGA CIMA SKYLINE SKYLINE Coupe GT-R Fairlady Z LEAF Application parts, Door, Door, Door, Trunk-lid, Door, Back door, Door MITSUBISHI LANCHER Evo., Fender, Roof AUTORUNDER Roof HONDA LEGEND ACCORD (HEV PHV), Trunk-lid 38 UACJ Technical Reports,Vol.2(2)(215)

13 ニウム化適用事例を示す 11) 北米は, 日本と同様にフード, バックドアなどのアルミニウム化が主であった Ford F-15のアルミニウムボディ車が発表され, 今後は, フード以外の部位へ適用拡大していくものと考えられる ボディパネルはアウタパネル ( 外板 ) とインナパネル ( 内板 ) に大別される アウタパネル用には, 耐デント性確保のための高耐力, デザイン自由度向上のためのプレス成形性, ヘミング加工のための曲げ加工性, 良好な表面品質, 耐糸錆性などが求められる インナパ ネル用には, 複雑形状を成形するための高いプレス成形性と良好な接合性が求められる 24) アルミニウム合金は添加元素によって分類されるが, ボディパネル用としては, 主に5 系 (Al-Mg 系 ) 合金と6 系 (Al-Mg-Si 系 ) 合金が使用されている 構造部材へのアルミニウム材料の適用は, 複雑な断面形状を容易に製造できる押出材に限定されてきた しかし, 板材のプレス成形に比べてコストが高くなる場合があることから, 板材の検討が進められている 構造部材に求められる主な特性は, 高強度, プレス成 Table3 Examples of aluminum closure panels in Europe 11). Audi R8 A8 A5 TT S5 S7 A6 A3 Q7 Q5 Q3 BMW 7series 6series 5series 4series 3series M3 M5 Z4 X5 Mercedes Benz SLS(AMG) SL SLK CLS S-Class E-Class C-Class B-Class Application parts All aluminum(space frame) All aluminum(space frame) Fender All aluminum, Fender, Door fender, Trunk-lid, Door fender, Trunk-lid, Fender, Fender, Roof, Door, Back door, Back door, Door, Fender, Trunk-lid, Roof, Door, Fender, Door, Fender, Door, Fender, Fender, Door, Fender, Fender All aluminum(space frame) All aluminum(monocoque), Fender, Door, Fender, Trunk-lid, Door, Fender, Trunk-lid, Fender, Trunk-lid, Door, Fender, Trunk-lid, Roof Renault Clio(Lutecia) Peugeot 38 37 58 Citroen DS4 DS5 Volvo S8 C7(cabriolet) S7/V7 S6 V5 Saab 9-5 9-3 Station Wagon Jaguar XJ XK F type XF VW Phaeton Exclusive Lamborghini Aventador Gallardo Application parts, Fender, Trunk-lid, Roof, Back door, Back door All aluminum(mono coque) All aluminum(mono coque) All aluminum(mono coque), Fender, Trunk-lid Fender, Door trunk-lid, Door fender All aluminum(speace frame) Kilograms per vehicle Fig. 9 4 35 3 25 2 15 1 5 342.7 292.1 275.9 226.3 218.4 218.2 181.6 14.1 13.3 126.8 125.5 119.6 96 91.1 82.6 Jaguar Porsche Land Rover Mercedes BMW Audi Volvo Honda VW PSA Ford GM Toyota Renault Fiat Average weight of aluminum content for tentative European cars 25). Others 16% Crash management 3% Steering and brakes 7% Sub frames 5% Bonnets, doors boot lids 5% Heat exchangers 8% Transmission 1% Wheels 2% Engine blocks 8% Engine cylinder heads 8% Other engine parts 1% Fig. 1 Distribution of aluminum in European cars 25). UACJ Technical Reports,Vol.2(2)(215) 39

14 Table4 Examples of aluminum closure panels in USA 11). Application parts Ford Ford F-15 Fusion Mustang Explorer Expedition All aluminum, Back door Lincoln LS MKZ MKS Town Car Navigator, Fender, Trunk-lid, Trunk-lid, Back door Chrysler Chrysler 3, Trunk-lid RAM RAM15 RAM C/V JEEP Cherokee Wrangler Dodge Dart Durango Journey Charger Challenger Magnum Honda Acura RLX PILOT Odyssey Subaru Subaru Outback B9 Tribecca, Back door, Door(OTR), Fender, Back door Application parts GM Chevrolet Tahoe Surburban Colorado Silverado LT Impala Malibu Travers Camaro, Back door, Back door GMC Yukon XL Acadia Siera Denari, Back door Buick Lacrosse Regal Enclave Caddilac ATS CTS SRX Escalade CT6, Door, Back door, Fender, Door Tesla Tesla Model S All aluminum Mazda Mazda B2 Nissan INFINITY FX G37, EX Nissan Altima Maxima, Door, Trunk-lid 形性, 接合性, 耐応力腐食割れ性などである 24) この中で,6 系合金は応力腐食割れが発生し難く, 良好な成形性も兼備しているが強度が低い 2 系 (Al-Cu- Mg 系 ) 合金は, 強度は高いが耐食性の改善が必須である 7 系合金は, 超高強度 ( 耐力 5 MPa 以上 ) を目指したAl-Zn-Mg-Cu 系合金と, 溶接性と焼入性に重きを置いたAl-Zn-Mg 系合金とに分けることができる 構造部材用としての大きな課題は, 高強度と耐応力腐食割れ性の両立であり, 研究開発が進められている 今後の開発の軸となっていくのは, 最も強度が高い7 系合金の可能性が高く, 北米 欧州では各アルミニウムメーカーから自動車用 7 系板材が提案されており, 車両への適用の検討が行なわれている 一方, 215 年モデルの米国 Cadillac CT6 では, サイドシル ( ロッカー ) とフロントメンバーに7 系押出材を使用している 23) 現状でのアルミニウム材料の使用比率は車両重量の約 1 割程度とみられているが, 今後大きく伸びることが確実視されている 4.1で述べたように, 鋼板をアルミニウムに置き換える場合, 比重が鉄鋼の約 3 分の1と軽いアルミニウムは, 剛性を考慮して鋼板の1.4 倍の厚さとしても5% の軽量化が図れる 自動車向けアルミニウム需要は年間平均約 5% 以上の伸び率で増加,225 年には現在の約 2 倍の使用量になると予測されている 17) エンジンやホイールといった用途はほぼ開拓さ れており, 今後はバンパーやボディへの適用である 米 Alcoaでは,Fig.11に示すようにボディを フロンティア領域 と位置付け,225 年の自動車用アルミニウム需要 2,48 万トン,1 台当たりのアルミニウム使用量 25 kgを見込んでいる 26) また欧州でも同様にFig.12 に示すように1 台当たりのアルミニウム使用量が増加することを見込んでいる 25) このような中,215 年モデルのAudi Q7では, アルミニウムとスチールのハイブリットボディを採用した 23) アルミニウムはホワイトボディの52%, 冷間鉄鋼は38% およびホットスタンプは1% である フロアパンやセンタートンネルのアルミニウム化によって, 前世代から3 kgの軽量化を実現した また, ダイキャスト部品の多様により部品点数削減も成功し, サスペンションモジュールでは,6 kgの軽量化を実現した 米国のCadillacでは製品ラインのトップになる CT6に, ボディフレームにアルミニウムを多用し,38 % がアルミニウムとなっている キャビンのフレームをスチールにして, フロントとリアの主要構造部品をアルミニウムにしている またダイキャスト部品も多用しており, 部品点数削減と軽量化を実現している 構造部品の中では, アルミニウム製サスペンションタワーを採用が目立っている 鉄鋼で製造する場合は複数部品を組み立てていた部品を, アルミニウム鋳物で一体製造して, 部品点数を減少する試みがなされてい 4 UACJ Technical Reports,Vol.2(2)(215)

る 強度の必要な部位は リブを立てるなど 形状で 工夫している また バンパーリーンフォースのアル Table ５ Body in white of the next frontiers by aluminum 27. 215 ミニウム化は プレミアムブランド車に限られるが マツダ 株 が新ロードスターに 7 系押出材を採用す るなど 28 採用車種が増加してきている EV 車では Tesla が ModelS でオールアルミニウム 車を採用している アルミニウム製シャシーとして ホイールベース間の床下にフラットに格納されるバッ 15 22 CD EF AB CD EF AB segmenet segmenet segmenet segmenet segmenet segmenet 48 48 73 73 73 Trunk 7 14 26 73 52 Door 6 12 28 56 Roof 4 8 24 48 Fender 6 12 19 38 テリーパッケージを置き 丸型リチウムイオン電池を 立てた状態で多数配置している ボディは B ピラー以 外にアルミニウム板材 押出材を フロント サイド ム化しても軽量化効果が少ないので 外板をアルミニ フレームとドアのクロスメンバーにアルミニウム押出 ウム化 骨格はマルチマテリアル化すると予想される 材を採用し 軽量化をはかっている Table 5 に自動車ボディのセグメントごとの 22 年 6 おわりに のアルミニウム採用率の予想を示す 27 これからは フードは 比較的小型車 セグメント AB にも採用さ 自動車の生産動向 軽量化へ駆動力となっている法 れるようになり 大型の商用車やライトトラックなど 的規制の概略について触れて それぞれの軽量化素材 は オールアルミニウム化していくと考えられる 一 の開発動向および軽量化素材使用に関する周辺技術動 般的な乗用車 セグメント CD は オールアルミニウ 向について述べてきた 今後 アルミニウムの使用量 は増加するとともに 特に構造部材では アルミニウ ムを中心に マグネシウム ハイテン CFRP などの 軽量化素材を用いることが増え マルチマテリアル化 The next frontier for aluminum Pounds per vehicle 6 55 lbs 5 4 していくと予想される それぞれの素材について さ らなる実用レベルの材料が開発され 製品製造の工程 においても 材料置換や部材の厚み変更はもちろん 343 lbs 部品の形状そのものの変更や新たな成形加工方法の導 3 入などがなされていくと予想される Ford F-15 の影 2 響を受けて ピックアップトラックをはじめとする多 1 くの自動車がどのように進化するか 22 年が楽しみ 1975 198 1985 199 1995 2 25 21 215 22 225 である Year Fig. 11 Body in white of the next frontiers by aluminum 26. Average aluminium content per car/kg 参考文献 2 18 18 16 14 12 1 4 14 25 21 212 215 16 99 8 6 15 125 5 2 199 1995 2 Year 22 Fig. 12 Evolution of average aluminium content per car produced in Europe 25. 1 たとえば 荒井 久治 中日本自動車短期大学論叢 36 26 17-41. 2 安藤 裕康 : エコカー及び自動車先進技術の開発動向と需要 予測 Economic review 丸紅経済研究所経済調査チーム 213 3 近藤敏弘 自動車技術会 材料フォーラム 1 2 4 細見彌重 住友軽金属技報 32 1991 1-19. 5 吉田英雄 池田 洋 渋江和久 西村嘉彦 住友軽金属技報 38 1997 53-71. 6 Y. Baba Sumitomo Light Metal Technical Report, 38 1997, 147-16. 7 宇都秀之 住友軽金属技報 46 25 84-92. 8 U. S. D e p a r t m e n t o f T r a n s p o r t a t i o n, B u r e a u o f Transportation Statistics: National Transportation Statistics, 216 P49, table 1-23. http://www.bts.gov/publications/national_transportation_ statistics/ 41

16 9 みずほ銀行 産業調査部 : みずほ産業調査 42 213 173185. 1 日本貿易振興機構海外調査部 海外調査計画課 主要国の自 動車生産 販売動向 214 1-1. 11 Report of the automobile committee, the Japan Aluminum Association: 215 homepage, http://www.aluminum.or.jp/jidosya/japanese/index.ht 12 西野浩介 世界で強化される自動車燃費規制とその影響, 三 井物産戦略研究所産業調査第一室 http://mitsui.mgssi.com/issues/report/list_report16.php 13 独立行政法人 自動車事故対策機構 自動車アセスメント部 衝突安全性能評価詳細版 2-21. http://www.nasva.go.jp/mamoru/car_search 14 Insurance institute for highway safety; Small overlap frontal crashworthiness evaluation crash test protocol Version III, 214, 3-1. 15 日 経 テ ク ノ ロ ジ ー オ ン ラ イ ン 214 http://techon. nikkeibp.co.jp/article/news/214731/36831/ 16 須田 義大 青木 啓二 情報管理 57 89-817. 17 大榎恵美 自動車構造材の軽量化と多様化, 三井物産戦略研 究所戦略レポート, 自動車構造材の軽量化と多様化 214 18 安藤 裕康 : エコカー及び自動車先進技術の開発動向と需要 予測, Economic review, 丸紅経済研究所経済調査チーム, 213 19 国土交通省 自動車燃費一覧 乗用車の燃費 CO2 排出量 216 http://www.mlit.go.jp/jidosha/jidosha_fr1_27.html 2 Patrick Blain: Steel perspectives for the automotive industry, OICA 212 21 UACJ UACJ の自動車材料 6-8. 22 富士キメラ総研 次世代自動車関連マテリアル総調査 216 23 Proceeding of Euro Car Body 215: Automobile circles. 24 稲葉 隆 アルトピア 31 21 25-31. 25 European Aluminum Association Aluminum in cars, Unlocking the light-weighting potential 212 26 Mike Murphy: Aluminum Growth in Auto Body Today to 22, Alcoa, 212 27 鈴木諭也 NextStageVol7 デロイトトーマス 28 内堀 佳 橋本 学 池田 敬 山内 一樹 マツダ技報 32 145-149. 新倉 昭男 Akio Niikura 株 UACJ 42 技術開発研究所 第六研究部