特集

自動車の軽量化とマルチマテリアル技術の進展

材料編

車体の軽量化を実現するアルミニウム合金の自動車部材への適用
横浜国立大学

Hirosawa Shoichi

廣澤 渉一
大学院工学研究院 教授〒240-8501 横浜市保土ケ谷区常盤台79-5
e-mail hirosawa@ynu.ac.jp

化の一つの方向性を示していた。

はじめに

図 1 に、80年から現在に至るまでの国産自動自動車のアルミニウム化で思い出されるのは、

車 1台当たりのアルミニウム使用量ならびに素材

やはり 1990年に販売されたホンダ初代NSXであ

種別ごとの生産量の推移を示す 2）。1970年代に入ろう。国産初のスーパーカーとのふれこみの元、ってシリンダブロックやホイールがアルミニウム世界初の量産オールアルミニウムボディ・シャシ化されるとともに、鋳物・ダイカストの生産量がー（足回り）を実現し、車体全体でスチールボデ急増し、2000年以降も社会的な要請でもある車ィ比 200kgもの軽量化を図った 。当時の一般乗体軽量化の追い風を受けて、アルミニウムの使用用車の材料構成比率でアルミニウムは 7.2％に過量は順調に増加している。直近の 16年には自動ぎなかったものが、NSXのアルミニウム比率は車 1台当たり 170kg超のアルミニウムが使用され33.9％にも達し、アルミニウムによる自動車軽量ており、調査会社Ducker社の推定では、米国の

1）

180
ダイカスト
自動車向けアルミニウム生産量（万トン）
自動車1台当たりのアルミニウム使用量（kg）

160
140120鋳物

図1

自動車1台当たりのアルミニウム使用量

板材
押出材
鍛造材

100
80
6040

0261980
1986
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016

20
暦年

 産自動車 1台当た
国りのアルミニウム使用量と素材種別ごとの生産量 2）

自動車 1台当たりのアルミニウム使用量は、15年性、低い熱膨張係数が要求されるピストンでは、の 179kgから 25年には 227kgへと増加するものとSi量が多いAC8A、AC8Bが使用されている 4）。

予測されている 3）。

製造方法に関しても、鋳造欠陥がなく健全で信本稿では、自動車の軽量化において依然として頼性が高く、強度や靱性、疲労特性などに優れる第一候補素材であるアルミニウム合金の各種自動製品を得るために、種々の鋳造技術が開発されて車部材への適用例ならびに今後の動向について概きた。
具体的には、
スクイズキャスティング（溶湯鍛説し、採用車種ならびに採用部位をさらに拡大す造法）や高真空ダイカスト、セミソリッド（半凝固）るための課題について言及する。なお、自動車のダイカストなどが挙げられ、ホイールやハウジンマルチマテリアル化に伴って生じる異材接合の問

グ類、ナックル、ロアリンク、アクスル、サスペ題に関しては、本特集企画に個別の解説記事があンションメンバー、サブフレーム、ロアアームなるので、そちらを参照されたい。

どの重要保安部品に適用されている 5）〜7）。ただし、これらの中には電気自動車や燃料電池車などの次エンジンおよびシャシー部品

世代自動車が台頭すると消滅する運命にある部品

前述したように、自動車のアルミニウム化はシも多く、今後は依然として鋳鉄が多く使われていリンダブロックやホイールなどの鋳物・ダイカスるディーゼルエンジンへの適用を進めながら、アトが先行し、今でも多くの割合を占めている（図 1 ）。

ルミニウムの「機能」を活かした新しい適用部品

これは、アルミニウムのもつ軽さや生産性のよさ、（例えば、リチウムイオン二次電池の電極やイン熱伝導性の高さなどが求められた結果であり、そバータ冷却器などの熱交換器、燃料電池車の高圧のほかにもシリンダヘッドやトランスミッション水素ガス圧力容器など）を開拓することが不可欠

ケース、クラッチハウジング、インテークマニホであろう。

ールドなどが早くからアルミニウム化された。ダイカストに用いられるアルミニウム合金はADC12ボディパネルがほとんどであるが（図 2 ）、鋳物の場合はAC2A

ボディパネルは、図 3 に示したエンジンフードやAC2B、AC4B、AC4D、AC4C、AC4CHなどをやドア、トランクリッド、フェンダー、ルーフな用途によって使い分けており、高温強度や耐摩耗

どのいわゆる「蓋もの」と呼ばれ、従来の鋼板からアルミニウム板材に材料置換した場合、張り剛性

引張強さ

0.2%耐力伸び

硬さ

310MPa150MPa

3.5%

86HB

共晶Si

初晶Si

Al2Cuが重要となるために最も軽量化ポテンシャル、すなわち適用効率が高い車体部品の 1つである 8）。
要求特性としては、成形性や張り剛性、曲げ性、エンジンフード
アウター

トランクリッド

ルーフ

サイドシールエンジンフード
インナー

後部フェンダー
ボディ本体
前部フェンダー

図2 A DC12ダイカスト材の機械的性質と微視的組織の例 5）

2017年12月号（Vol.65 No.12）

図3

ドアアウター
ドアインナー

自動車用ボディパネルの部位と名称 1）

27

合金

引張強さ

0.2%耐力伸び

加工硬化係数

ランクフォード値

A6022

275MPa155MPa31%0.250.60

A6061

235MPa130MPa28%0.230.70

A6111

290MPa160MPa28%0.260.60

図4 000系Al-Mg-Si合 金 の 機 械
6的性質と微視的組織の例 9）、10）

右下図の３次元アトムプローブマップは、アルミニウム中のMg原子（黒色点）およびSi原子（灰色点）の分布を示す

耐デント性などであり、現在では主に6022や6061、一方、より複雑形状をもつインナーパネルに関6111などの 6000系Al-Mg-Si合金が多く使用されしても、当初は成形性に優れる5182や5052などのている 9）。これは、熱処理型合金である 6000系合5000系Al-Mg合金が使用されてきたが、現在で金が、塗装後の焼付け乾燥時（日本では 170℃では表面性状［ストレッチャ・ストレインマーク（SS20分程度が多い）に、時効析出によって耐力が増マーク）フリー］や廃車後のリサイクル性などを勘加する（ベークハード性を有する）ためであり（図案し、アウターパネルと同じ 6000系合金に置き換

4 ）9）、10）、特に強度や耐デント性が求められるアウ5）、9）
わりつつある（モノグレード化・モノアロイ化）。

ターパネルの素材として適したものとなっている。

表 1 に、2011年以降に発売された国内外のアルミニウムパネル採用車種ならびにモデルチェンジ

表1 国 内外におけるアルミニウム製ボディパネルの採用状況とモデルチェンジに伴う適用部位の変化の例（文献 2）,10）〜12）より作成）
H はフード、Dはドア、Tはトランクリッド（バックドアを含む）、Fはフロントフェンダー、Rはルーフを示す

メーカー

採用車種

ポルシェ
911
アウディ
A6
メルセデス
Cクラス
ベンツ
日産
トヨタ
マツダ
ジャガー
BMW
トヨタ

採用部位
H → H, D, エンジンH, F
H, F → H, D, T, F

やSUV、スポーツカーを中心に各社からアルミニウムボディパネル車が販売されており、成形の難易度に対応してフード、トランクリッド（バックドモデルチ
ェンジ年
2011
2011

アを含む）、ドアおよびフェンダーの順に適用が進2014て、順調にアルミニウムの採用が増えている場合

2014

もあれば
（例えば、アウディの多くの車種やBMW52014
2015
2015

シリーズなど）、積極的にほかの軽量素材を採用

F → H, D, T, F, R

H, D, T → H, D (DインナーはGT-R
高真空ダイカスト品、TはCFRP)
初代ミライ
H
ロードスター H, T → H, T, F
XF
H, F → H, F, R
H, D, T, F, R → H, フロント
7シリーズ
D, T
（リアDは鋼板、RはCFRP）
H, T → H, T（2017年 発 売 のプリウス
PHVのTはCFRP）
２代目NSX
H, D
5シリーズ
H, D, F → H, D, T, F, R

んでいる。しかしながら、各社の戦略（車格や購買層、製造台数、コストなどに対する考え方）によっした結果、アルミニウムが使われなくなった場合

2015もあり（例えば、GT-RやプリウスPHVのトラン

2015

クリッド、BMW7シリーズのルーフなど）、中にホンダ2016
BMW2017メルセデスEクラス
H, F, T → H, F, T2017
ベンツ
日産リーフ
H, D → 採用なし（鋼板化）2017* なお、表 2に示した車種でもアルミニウム製H, D, T, F, Rが多用されている。

28に伴う適用部位の変化の例を示す 2）、11）〜13）。高級車

は成形性やコストの関係で鋼板に逆戻りした例もみられる。今後さらにアルミニウムパネル採用車
種、採用部位を拡大するためには、後述するコストの問題を解決しながら、アルミニウム合金の優位性、適合性をわかりやすく開示していくことが特集求められる。

自動車の軽量化とマルチマテリアル技術の進展
表2

ボディ骨格

 内外におけるアルミニウム製ボディ骨格の国
採用状況の例（文献 2）、11）、12）から抜粋）

メーカー

採用車種

特徴

発売年

ホンダ

NSX

世界初の量産オールアルミニウム
1990
製モノコックボディ

アウディ

A8

オールアルミニウム製スペースフ
1994
レーム

ホンダ

モノコック構造とスペースフレー
インサイト ム構造の長所を組み合わせたアル 1999
ミニウムハイブリッドボディ

アウディ初代A8で初めて採用されたアルミニウム

ロータス

エヴォーラ

製スペースフレーム構造は、アルミニウム合金のメルセデス
オールアルミニウム製スペースフ
2010
SLS AMG
ベンツレーム

現在、乗用車の多くはモノコック構造を採用しており、板材を多く用いながら外板に強度や剛性をもたせることで、内部空間を広く、構造を簡素化かつ軽量化している。しかしながら、1994年に利点でもある押出加工性ならびに鋳造性のよさを活かして、各種押出材、ダイカスト製ジョイントならびに板材で骨格構造を形成しており、一般的

オールアルミニウム製モノコック
2009
ボディ

メルセデス
SLクラス
ベンツ

オールアルミニウム製モノコック
2012
ボディ

テスラ

EV専用設計のオールアルミニウム
2012
製ボディ

モデルS

なスチールモノコックボディよりも約 40％ものランドロー レンジロー SUVとして世界初のオールアルミ
2013
バー
バー
ニウム製モノコックボディ

軽量化を果たした 14）。

フォード

F-150

表 2 に、国内外におけるアルミニウム製ボディ

アルミニウム製アッパーボディ（キ2015
ャビン、デッキ）骨格の採用例を示す。高級車やSUVを中心に、ハイブリッド車や電気自動車、ピックアップトラッ
クなどにも採用が広がっているが、近年はアルミている）。国内では、強度基準が厳格なために普ニウム合金のみならず、高張力鋼（ハイテン）やホ及が遅れていたが、最近になって連続鋳造圧延法

ットプレス鋼、マグネシウム合金、炭素繊維強化によって 6056合金の鍛造加工性を改善し、引張樹脂（CFRP）などを併用する例が増えており（例え強さ 420MPa、伸び 12%をもつボルト用素材を開ば、メルセデスベンツCクラスやBMW5シリーズ・発した例 17）や、圧延技術の改良ならびに冷間圧接7シリーズ、日産スカイラインなど）、車体のアル部の製品化技術の確立によってボルトの太径量産

ミニウム化の先鞭をつけたホンダNSXやアウディ化を図った例 18）などが報告されている。

A8も、直近のモデルチェンジで「マルチマテリア

著者らも、研究段階ではあるものの、巨大ひずルボディ」への変身を遂げている 15）。自動車車体

み 加 工 法 の 一 つ で あ るEqual-Channel Angularの軽量化は、次世代自動車であっても電費や航続Pressing（ECAP）法と予備時効熱処理を組み合わ距離を著しく改善するため、引き続き激しい素材せることで、引張強さ 514MPa、破断伸び 16%の間の競争、ならびに車種・部位に応じた適材適所

優れた強度−延性バランスをもつ 6056合金の開発の徹底がなされていくものと予想される。に成功しており 19）、アルミニウム製高力ボルト素材として十分に期待できるものとなっている。今ボルト

後は、衝撃強さや耐遅れ破壊特性、耐応力腐食割

アルミニウムやマグネシウムなどの軽量部材をれ性などに加えて、使用環境として想定される百従来の鋼製ボルトで締め付けた場合、鉄との標準数十℃程度での強度やリラクセーション特性など電極電位差が大きいために異種金属接触腐食を生を考慮しながら、最適な適用部位の選定を行うこじることが問題となっている 。そのため、もしとが肝要となろう。

4）

アルミニウム製ボルトで代替することができれば、この問題を改善しつつさらなる軽量化が可能となワイヤハーネス

り、欧州ではすでに 6056合金製ボルトがエンジン車両内の各種電装部品をつなぐワイヤハーネス回りに採用されている（例えば、BMWのNG6エンは、自動車 1台当たりおよそ 15〜20kg使われておジ ン 16）。 マ グ ネ シ ウ ム 部 材 を 締 結 す る た め にり、自動車の安全性や快適性の向上ならびに環境400MPaの引張強さをもつボルトが 15本使用され対応のために搭載されるシステム数の増加によっ

2017年12月号（Vol.65 No.12）29

て、さらにその重量が増大することが懸念されて参考文献

いる。そのため、特に全体の 70％を占める電線導1）小 松泰典、伊東孝紳、新井彪雄、村岡康雄、阿部春樹、山下幸
洋 : オールアルミニウムボディ車 “NSX” の開発と実用化、軽金属、41/4（1991、4）、pp.276〜283。
2）日
 本アルミニウム協会：自動車の部屋ホームページ、（2017）。
3）
Ducker worldwide ホームページ、（2017）。
4）日
 本アルミニウム協会：アルミニウムハンドブック（第 7 版）、（2007）。
5）
板
 倉浩二 : 自動車の軽量化と軽金属材料の適用動向、アルミニ
ウム、21/90（2014、5）、pp.6-11。
6）
西直美 : 自動車用アルミニウム合金ダイカストの現状、まてりあ、53/12（2012、12）、pp.589〜593。
7）神 戸洋史 : 自動車の軽量化とアルミニウム合金鋳造部品の適用、アルミニウム、22/93（2015、5）、pp.10〜16。
8）
臼 木秀樹 : 自動車が求める軽量金属の材料特性、まてりあ、
43/5（2004、5）、pp.388〜391。
9）池 田昌則、櫻井健夫 : 自動車のマルチマテリアル戦略〜材料別戦略から異材接合、成形加工、表面処理技術まで〜第１編第３章、（2017）、pp.51〜59、エヌ・ティー・エス。
10）Y . Koshino, M. Kozuka, S. Hirosawa, Y. Aruga: Comparativeand complementary characterization of precipitate microstructures in Al-Mg-Si（-Li）alloys by transmission microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and atom probe
tomography、J. Alloys and Compounds、622（2015）, pp.765〜770.
11）
新 倉昭男 : 最近の自動車の軽量化動向、UACJ Technical Reports、（2 2015）、pp.96〜106。
12）日
 本アルミニウム協会自動車アルミ化委員会 : アルミニウム、
15/71（2008、1）、pp.22〜34。
13）日
 本アルミニウム協会自動車アルミ化委員会 : アルミニウム、
23/96（2016、5）、pp.31〜41。
14）
Motor Fan illustrated、53（2011）、pp.66〜67、三栄書房。
15）
軽量材料活用術 : 日経ものづくり、（2017、2）、pp.59〜66。
16）
K
 . Westphal, T. Mulherkar, W. Scheiding: Joining of magnesium components using Al fasteners、Light Metal Age、（2005, 4）, pp.2〜3.
17）
岩山功、桑原鉄也、中井由弘、高木義幸、北村真一、斉藤英敏：
自動車用ボルト向け 6056 アルミニウム合金線、SEI テクニカル
レビュー、183（2013、7）、pp.78〜82。
18）
日刊工業新聞ホームページ、2017 年 3 月 30 日付。
19）
小 畑智靖、唐永鵬、岩岡秀明、廣澤渉一、毛利啓己、下田政彦 : ECAP 加工と各種時効処理による Al-Mg-Si 系合金製高力ボルト素材の開発、軽金属、68（2018）、印刷中。
20）山 野能章、細川武広、平井宏樹、小野純一、大塚拓次、田端正明、大塚保之、西川太一郎、北村真一、吉本潤 : アルミハ
ー ネ ス の 開 発、SEI テ ク ニ カ ル レ ビ ュ ー、179（2011、7）、pp.81〜88。
21）
三 好俊充、下河内次生 : 新型ロードスターの軽量ワイヤハーネス開発〜電線導体のアルミ化〜、マツダ技法、32（2015）、pp.167〜172。
22）
田 口欣司、嶋田高信、吉本潤、桑原鉄也、赤祖父保広 : エン
ジンの振動屈曲に耐える高強度アルミワイヤーハーネス、SEI
テクニカルレビュー、190（2017、1）、pp.117〜122。

体を従来の銅製からアルミニウム製へと材料置換する動きが加速しており、すでに国産乗用車にも採用が始まっている。
例えば、2010年に発売されたトヨタラクティスのドアパネルには、引張強さ 120MPa、導電率 60％ IACSをもつ細物Al-Fe-Mg合金電線を撚り合わせた世界初の低圧系アルミニウムハーネスが使用されており、銅製電線からの置き換えによっておよそ40％もの大幅な重量低減を果たした 20）。そのほかにも、マツダロードスターの減速エネルギー回生システムの太物電線に使用されるなど、さらに適用範囲を広げており 21）、エンジン回りのハーネスとして使用可能な高強度・高耐熱性を有するAl-Mg-Si合金電線の開発も進んでいる 22）。アル
ミニウムにとって銅との材料置換は、部材の軽量化のみならず価格や資源供給の点でも有利であり、さらなる需要の拡大が期待されている。

おわりにアルミニウムは、軽量化構造を実現する素材として欠くことができないものであり、市場のニーズに対しても常に高品質・高信頼性な製品として供給されてきた。ライフサイクルアセスメント（LCA）の観点からも、アルミニウムの製造時に排出されるCO2 量は、軽量化による走行時のCO2排出削減量として相殺でき、その走行分岐点距離はリサイクル材の使用比率が上がるにつれて短くなる 2）。今後は、上述したモノグレード化・モノアロイ化をさらに進めて同一合金化（ユニアロイ化）し、現在のカスケードリサイクルではなく、パネル材をパネル材に戻すようなクローズドループリサイクルを実現することで原料コスト面の劣勢を跳ね返すことが求められる。
最後に，本稿を執筆するに当たって資料の提供を頂いた神戸洋史氏（日産自動車）、渡邊博之氏（本田技術研究所）、櫻井健夫氏（神戸製鋼所）、塩田正彦氏（日本軽金属）、飯田康二氏（日本アルミニウム協会）に感謝の意を表します。

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