自動車用マグネシウムダイカスト技術動向
武.

は じめ

田秀に

京都議定書締結以降， CO2 増加による地球温暖化の問題が大きくクローズアップされ，大幅な CO2 削減が求められている．特に輸送機器の CO2 排出量比率は全体の 20近くあり(1)，輸送機器の大半を占める自動車の燃費向上は急務となっている．自動車生産数は 2013 年度には全世界で年間8300万台(2)になり，中国・インドなど BRICS 諸国の発展とともに年々自動車の需要は増加しており，今後この傾向は続くと考えられる．したがって，地球温暖化防止のための燃費向上( CO2 排出量削減)は自動車メーカにとって待った無しの責務となっている．そのため，日・欧・米の CO2 削減の

図1

車両重量と CO2 ガス排出量の関係．

目標はこれまでになく厳しくなり， 2020 年の欧州の燃費( CO2 排出量)規制(3) では 21.5 km / l( 95 g / km )にもなっている．この規制をクリアするために各自動車メーカは燃費向上の施策を HEV (ハイブリッド車)， EV (電池自動車)， FCV(燃料電池自動車)などエネルギー源を化石燃料から電気化への転換，フリクションの低減，鉄部品からアルミニウム化あるいはマグネシウム化による軽量化，そして日本では車体の小型化(軽自動車化)などが進められてきている．また，電気自動車化はエネルギー効率を大幅に上昇させる反面，車体バッテリーの重量，電気部品の増大など逆に車体重量を増やすことになった．従ってエネルギー源の転換と同時に材料置換などによる重量軽減を進める必要も生じてきている．図に車両重量と燃費の関係(4)を示す．図から判るように単純に軽

図2

各種材料の比剛性・比強度の位置づけおよび比強度とコストとの関係(概念図)．

.

軽量化アイテムとしてのマグネシウム材料量化を行うことで，車体重量低減と比例して CO2 排出量削減ができる．従って比強度，比剛性が高いアルミニウムやマグネシウム合金材料を用いることで車体重量が低減でき，ひいては大幅な CO2 削減ができるといえる．本稿では，燃費向上のため自動車会社が進めている部品のマグネシウム化のマグネシウム合金は実用金属としては最軽量で，密度は鉄状況を，部品群，材料種別ごとに整理し，当社でのマグネシの 1/4，アルミニウムの 2/3 であり，比強度・比剛性が他のウムダイカストの量産実績を加味し，自動車のマグネシウム金属に較べ優れており耐食性や高温クリープ性で課題はある部品の今後の動向を概説する．

ものの，自動車軽量化には今後も使われ続けるべき材料と考えられる．また，図に炭素鋼，超高張力鋼板，アルミニウ
ム・マグネシウム・プラスチック( ABS, PC )そして CFRP

株式会社アーレスティ テクニカルセンター技術部(〒4413114 豊橋市三弥町中原 1
2)
Technical Trends of Magnesium Diecasting for Automobile Parts; Suguru Takeda(Ahresty Corporation, Toyohashi)
Keywords: magnesium, HPDC, heat resistant alloy, automobile parts, technical trend, creep, bolt
2014年 7 月22日受理[doi:10.2320/materia.53.594]



小特集

や GFRP な ど の 材 料 の 比 強 度 ・ 比 剛 性 の 位 置 づ け を 示

化合物 Mg17Al12 との共晶合金である．一例として AM60Bす(5)．図を見てわかるように，軽合金が他の金属材料に比べの 組織 写真を 図 に示 す．こ の Al, Mg の基 本組 成に Zn,コストは若干割高になるものの，比強度・比剛性が高く，現Mn が適量加えられている．これらの材料は Mg17Al12 の時時点においては，自動車部品の軽量化に寄与する最良の材料

効析出の増加に伴い強度・靱性が向上する．AZ 系の場合はと位置づけられるといえる．

Mg17Al12 以外に Mg17 ( Al, Zn )49 の時効析出効果による高強度化もある． Mn 添加は Mg の耐食性を著しく悪化させる

.

ダイカスト工法とダイカスト用マグネシウム材料

Fe を AlMnFe 系の金属間化合物として晶出沈降させ，マグネシウム溶湯中の Fe を減らすために入れるものであり，
図にアルミニウム製品の用途別使用量と輸送関連部品の製法別の生産量占有率を示す．図からわかるようにアルミニ
ウムで作られている輸送関連部品の半分以上はダイカストで他のマグネシウム合金でも必須な添加元素となっている．


耐熱マグネシウム合金

生産されている(6)．マグネシウムに至っては構造材用に用いさて，これら汎用合金中の合金の晶出物 Mg17Al12や Mg17られる部品の70以上はダイカストである．ダイカストは他(Al, Zn)49 は熱的に高温で不安定となり，およそ 393 K 前後の鋳造方法と較べ，鋳肌，寸法精度，生産性などで勝っておから著しいクリープが見られるようになる．そのため，エンり，現在の自動車部品生産に必要不可欠な工法となっている．

ジンやトランスミッションケースなど温度が高くなるエンジ

マグネシウムが初めて車両に使われたのは ``Indy 500'' で，ン回りの部品には汎用マグネシウム材の適用は困難となって1921 年のエンジンピストンの部品として使われた(7) ．後述

いる．

するが， 1940 年代には VW (フォルクスワーゲン社)が AS

自動車部品の多くはボルトで各部品を締結するのが一般的系(MgAlSi 系)の材料でトランスミッションケースを製造であり，特にパワートレイン部品では，この締結した部品のし，その後 FORD, GM が多くの部品にマグネシウムを採用

内部には通常エンジンオイルやミッションオイルなど潤滑油するようになった．一方日本では， 1960 年代には当時としが内包しており，締結部からの油の漏れはエンジンルーム内ては珍しいアルミニウムパワートレイン関連部品でマグネシからの火災発生を引き起こす要因にもなり，絶対にあってはウム部品をふんだんに使ったマツダ R360 クーペが登場しならない．ところが，クリープがあると，時間とともにボルた．当時の記録(8)によると，とにかく軽量化したいとのこと

トとの熱膨張の違いも相まって，締結が緩み締結部品の間かで，コストは二の次のようであった．しかしその後継車のキら油が漏れる事態が生じてしまう．この軸力の低下を防ぐた

ャロルは空冷エンジンから水冷エンジンへ変わったこともあめに，既存の汎用合金あるいはマグネシウムに Si, RE(レアり，コスト高でマグネシウムの使用は途切れてしまった．

アース)，Ca, Sr，やその他各種遷移元素を添加し，耐高温ク

1980 年代にはトヨタ，ホンダがマグネシウムを各所に使いリープ性(以降耐熱性と呼ぶ)を上げた耐熱マグネシウム合金始めた．しかしながら，欧米と比べるとマグネシウムの利用がパワートレイン部品適用のために開発されてきた(図参は少ないままである．

照)．また，同時に通常用いられるスチールボルトの代わり

汎用マグネシウム合金

ダイカストで使われるマグネシウム汎用合金は主に，シリに，熱膨張がマグネシウムに近いアルミニウムボルトの採用などが行われている．各種材料の軸力低下特性を図に示す．
1940年代に VW は，AS 系(MgAlSi)の合金 AS41(Mg

ンダーヘッドカバー，キーロックハウジング，など比較的形

4  Al 1  Si )を使い高温でも安定な Mg2Si の晶出を利用し状が複雑な部品に用いられる構造用材料の AZ(Mg AlZn )て耐熱性を改善し，さらには Al 量を減らし b 相(Mg17Al12)系合金と，衝撃吸収性が求められ，靱性・延性が要求されるの析出を減らした AS21 ( Mg 2 Al 1  Si )を利用するようステアリングハウジング，シートフレーム，インストラメンになった．エンジン周りの部品重量は重いため，これらの軽トパネルなど車体用材料として使われるAM(MgAlMn)系量化効果は大きく，さらなる耐熱性の向上への要求は大き合金の二系統がある．これらの合金は基本的には MgAl のい．そして， 1990 年代になるとさらに高温特性の改善が強二元状態図で示されるように Mg リッチ側で，Mg と金属間く求められることになった．
欧州において ，ダイムラークライスラーでは 2002 年にAS41 を改良し耐熱性を向上させた， AS31HP ( Mg 3 Al 

図3

軽合金(アルミニウム)の用途別使用量比率および輸送関連部品の製法別占有率．

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japan

図4

AM60B の一般的な SEM 像．



1  Si 系 の 合 金 ) が 使 わ れ る よ う に な っ た ． こ れ に 続 きンがホンダ製ハイブリッド車(初代インサイト)に採用され，BMW 社は，ノランダ社の開発したマグネシウム合金 AJ62

三井金属鉱業で製造された．さらにこの合金の鋳造性を改善(Mg6Al2Sr 合金)をマグネシウム製ブロックに採用しした AE62Ca(11)が開発され，当社が北米 Acura 向けのマニた．ただし高温になるエンジンライナー部には AlSi 過共晶ュアルトランスミッションおよびクラッチケースの生産を行合金を溶射したアルミニウム合金を鋳包んでいる．

った．この合金は ACM522 と比較し Al 量の増加， Ca 量の

日本では 1990 年代に種々のダイカスト用耐熱マグネシウ削減で，鋳造性は多少改善されてはいるものの， AZ91D やム 合 金 の 開 発 が な さ れ る よ う に な り (9 ) ， 実 量 産 で はAM60B などの汎用材に比べ，湯回り・鋳造割れなど鋳造性ACM522(10)(Mg5 Al2Ca2.5RE)を用いたオイルパに劣る．これらの課題を解決するために，様々な生産技術対策(部分加圧，局部冷却，特殊な離型剤，金型温度管理)を欠陥発生部位へ適用し(12) ，健全性を確保しなくてはならなかった．また，リサイクルにおいても RE や Ca など酸化しやすいため安価に再生リサイクルすることが困難であった．当社に限らず，国内外で開発されている大半の耐熱マグネシウ
ム合金には， RE や Ca が多量に入っており，耐熱性は大幅に向上し，高温下でもマグネシウムが自動車のパワートレイン部品として使うことができるようになった．しかし上記で述べたような生産性や再生性の問題でコスト高となり日本ではその採用は限定的なものであった．そこで，当社ではこれらの開発経緯と製造実績から，多少耐熱性を犠牲にしても，生産性を加味したコストとその性能のバランスを考慮した合金系を検討し，リサイクルを含めた鋳造工程の改善を行って図5

きた． 2007 年には日産自動車の GTR のオイルパンに当社耐熱マグネシウム合金の系譜．

製造のマグネシウムが搭載された．このとき用いた合金は，
Dead Sea Magnesium 社で開発された MRI153M である．

またこのコンセプトに近い合金としてノルスクハイドロ社の
AS31HP もある．これらの材料の高温クリープ特性が抜群によいとはいえないが，鋳造性がよく，トータルコストを加味すればバランスのとれた材料といえる．
既存汎用マグネシウム合金に Ca を加え，安価かつ適度な耐熱性を持つ合金の研究(13)も進められている．Ca の添加により( Mg, Al )2 Ca が粒界に網の目のように形成され良い耐熱特性が得られている(5)．耐熱マグネシウムへ添加する RE
図6

軸力計測方法と高温保持における締結ボルトの軸力変化(圧縮クリープ特性)．

表1項目

引張強さ(MPa)

0.2耐力(MPa)

伸 び()

疲労強さ(MPa)

の生産量のほとんどが中国であり，一国寡占状態が続いている．そのため，安定的に材料が入手できない懸念もあり，各種耐熱マグネシウムの機械的性質．

温度

AZ91D

MRI153M

MRI153D

ZACE05613

AJ62

AE44

AS41

ADC12R.T.

240

240

230

215

218

210

197

280

100°
C

229

207

210

196

195

165

154

260

150°
C

166

180

200

166

154

140

153

240

R.T.

145

150

160

130

124

109

136

185

100°
C

123

126

150120

110

93

115

175

C
150°

105

128

135

115

98

88

95

165

R.T.

5

42

2

6

8

3

0.5

100°
C

98

4

6

1216101C
150°

14

13

8

915

23

17

2

R.T.

71

64

70

60

55

63

45

105

C
100°

42

46

44

41

4143

38

75

150°
C

3034323133302850

小特集図7各種耐熱材料の特性比較．

RE 使用量の少ないこれら材料は安定的に自動車メーカに供給ができる点で良いともいえる．
これら一連の耐熱マグネシウム合金の特性を表に，鋳造

図8

パワートレイン部品へのマグネシウム合金使用例．

性など量産性の評価を図のレーダーチャートに示す．尚，
図では 5 点を最良として各種量産性を定性的に評価した．

.

マグネシウム材料の自動車への適用

本節では国内外で実際に量産に使用されたマグネシウム自動車部品を部位別に紹介し，今後のトレンドを考える．


パワートレイン部品での実施事例

前述のように AZ91D は一般の構造部材として多く使われている．特に，温度がさほど高くならないロッカーカバー，インテークマニホールドなどのパワートレイン系の部品への適用が多い(図( b ),( c) ,(d )参照)．また，一部トランスミッションケースなどにも使われていた(図 8 ( a ) , ( e )参照)．
しかし最近では，これらの部品の中で温度の上がらない部位の構造部品は樹脂製品となりつつある．また，前述のように

図9

内装部品へのマグネシウム合金使用例．

高温特性が要求されるトランスミッションケース，クラッチハウジング，オイルパンなどのパワートレイン部品には耐高温クリープ材料が使われている．これら耐熱材料を用いた実4Al4RE)は耐熱合金ではあるが，延性があるため，エ施事例を図 8(f)～(j)に示す．

ンジンクレイドルにも適用されている(図参照)．



内装部品での実施事例



マグネシウム合金の使われ方と代替材料

内装部品の多くは衝突の際，搭乗者と接触することが考え ～ に実施事例を示してきたが，前述のように単純に軽

られ，その製品が割れたり，折れたりすることは搭乗者へのくするだけの部品の場合，マグネシウム材料を使用するメリ安全確保の点で絶対に避けなければならない．そのため，内ットが少ないため，構造材として使われてきた AZ91D で使装部品の多くは延び・靱性のある AM 系のマグネシウム合用されている多くの部品では樹脂化がさらに進むと思われ金が使われる．実際，図に示したように，ハンドル回り，る．しかしながら， AM 系材料は樹脂より延性・靱性が勝

エアバッグプレート，シートスタンションなど搭乗者と密なっているため車体系の部品になお多く使われる．そのため，位置にある部品には AM 系の材料が使われている．

十数年前までは鋳造用の汎用マグネシウム材料の主流は



車体・シャーシ部品への適用

AZ91D であったが，現在は AM 系材料が主流になりつつある．また，マグネシウム材料が耐熱性に問題があったとして車体・シャーシ部品は内装部品と同じく，延性/靱性が要も，放熱性が樹脂より勝っていることなどもあり，樹脂への求される車体系の部品であり，AM60B/AM50B などのマグ転換の難しい場所では，さらなる軽量化のために耐熱マグネネシウム合金が使用されている．比較的大物のドアインナシウム使用は拡大すると考えられる．

ー，バックドアインナーやクラスターパネルのような大物にも使われている．また，ノルスクで開発された AE44 ( Mg 

ま て り あ 第53巻 第12号(2014)
Materia Japanに，日本国内において鉄部品の溶接技術，薄肉化技術が他国のそれを凌駕し，コスト的にも安価にできるため，鉄部品の代替が進まないなどの理由もある．一方，ヨーロッパ(特にドイツ)では生産者と顧客が同じ環境志向を持っており，自動車が軽くなることは地球環境に良いことであり，多少コスト高になっても顧客はそれを容認し，その自動車を購入する傾向にある．また，アメリカでは元々車体重量が重いこともあり，ペナルティを避けるために待ったなしの軽量化を行わざるを得ないということもある．これらの理由もあり，欧米でのマグネシウム化は大幅に進んでいる．

.
図10

車体・シャーシへのマグネシウム合金の適用事例．

おわりにこれまで述べてきたように，マグネシウムは実用金属の中で最も軽量であり，省エネルギーが叫ばれている中，熱放散性，比剛性，比強度などを考慮すると，自動車部品の軽量化

.


自動車部品マグネシウム化の課題と今後自動車部品マグネシウム化の課題

では非常に重要な金属ではある．そのため以前からこの材料を用いた多くの自動車向け部品化が試みられてきた．しかし，自動車部品を実現するためには多くの付加技術，設備がマグネシウム合金には，“ガルバニック腐食，易燃性，難必要となり，決して安価にできるものではないのが実情であ塑性加工性，高温クリープ”という課題がある．これら課題

る．超高張力鋼板の薄肉化，炭素繊維強化プラスチックの多くは技術的に解決できないものではなく，解決するのに(CFRP)などこれに替わる材料が見え隠れする中，軽量化の現在の技術ではコストがかかりすぎることが問題である．例

競争がますます激化している．今後さらにマグネシウムを使えばマグネシウムが易燃性であるがために，空気と直接触れいこなすには，コストを押し上げている技術を含めた要素技ないような炉構造や給湯装置が必要となり，設備費がかさ術の改善・開発が必要であろう．

む．ガルバニック腐食対策も同じで，異種金属間に絶縁物の文挿入や，表面処理の実施で基本的に解決できる問題であり，献塑性加工についても加工温度を上げ熱間での塑性加工を行えばそれなりに対応できる．これらの処理は既存の材料に比べ大幅にコストがかかることになる．自動車へのマグネシウムの展開は，軽さを求めつつ，鉄鋼材料やアルミニウム材料，プラスチック材料に対峙できるようなコストパフォーマンスを求める開発が必要ということになる．


マグネシウムの自動車部品適用拡大の産学協同活動

コスト上の技術課題があり，現在日本マグネシウム協会では新たに研究委員会を設立し，主要な自動車会社，ダイカスターなど関連する企業が集まり，新たに共通したマグネシウ
ム合金の開発を始めようとしている．この動きは欧米のEUROCARBODY, USCARS などと同様，産学官一体となり材料や評価方法の共通化を図ろうとする狙いと同じであり，また軽金属学会でも自動車適用を増やすための研究部会が結成されるなど，自動車の軽量化の動きは加速されると考えられる．
( 1 ) 国立環境研究所，日本の温室効果ガス排出量データ．
( 2 ) 日本自動車工業会世界生産・販売・保有・輸出，表 1世界各国/地域の四輪車生産台数．
http://www.jama.or.jp/world/world/world_t2.html( 3 ) 国土交通省，自動車燃一覧(平成19年 3 月，第30版)．
( 4 ) 一般社団法人アルミニウム協会第 2 表 アルミ地金および同 1 次加工製品需要実績総括表2013年度(43 月期)．
( 5 ) 才川清二浜松産業創造センター講演会( 2010.02.09 開催)資料．
( 6 ) 一般社団法人マグネシウム協会国内マグネシウム 2013 年需
要実績．
( 7 ) R. E. Brown: presentation at Materials Science & Technology
Conference, Pittsburgh, PA, USA, October(2008), 59.
( 8 ) 軽金属協会マグネシウム委員会マグネシウムニュース No.
7, 13 (1960).
( 9 ) I. A. Anyanwueta, et al.: Mater. Trans. 44(2003), 562570.
(10) 鎌田康仁郎鋳造工学，76(2004), 962966.
(11) 榊原勝弥素形材，9(2009), 4245.
(12) 石 田 武 敏 他  日 本 ダ イ カ ス ト 会 議 論 文 集  JD06 32,(2006), 211
216.
( 13 ) 太田宗貴 他軽金属学会第 122 回大会講演概要，( 2012 ) ,263.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

今後の自動車部品としてのマグネシウムの動向

海外ではマグネシウム合金は自動車の種々の部品に使われているが，日本国内では使われ方が少ない．これは前述のコストに起因すると考えられる．そのため日本では高級車への適用が大半であり，安価な車両への適用は少なく，マグネシウムの使用が限定されていることは否めない．特に対策コストのかかる腐食が懸念される部位への使用は少ない．さら武田秀1978年 東北大学工学部金属材料工学科卒
2002 年 株式会社アーレスティ マグネシウム事業部長
2007年 アーレスティインディア 社長
2012年 アーレスティ技術部長
2014年 定年退職後，現職
専門分野軽合金(Al, Mg)ダイカスト工法および材料開発◎ダイカスト用特殊冷却法の開発や耐熱マグネシウム材料開発・量産化に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

小特集