アルミ合金を伴う自動車軽量化トレンド

図1.ヨーロッパの自動車で使用されるアルミニウムの平均量の変化
今日、「軽量」という用語は、自動車業界の用語からメディアニュースの高頻度語彙に発展しました。 「メイド・イン・チャイナ2025」では、軽量化も自動車産業の発展にとって重要な方向性とされています。簡単に言えば、軽量化は、車両の強度と安全性を確保しながら、車両の重量を可能な限り減らすことで、車両の出力を向上させ、燃料消費を削減し、排気汚染を減らすことです。近年、環境保護や省エネルギーの要求が厳しくなり、自動車の軽量化は世界の自動車の発展において止むを得ない傾向にあります。欧州アルミニウム協会によると、100kgの車の品質ごとに100 kmあたり0.6Lの燃料を節約でき、CO2800-900gを削減できます。アルミニウムの密度は鋼のわずか3分の1で、可塑性と回復性に優れています。自動車に最適な軽量素材です。 1970年代の最初の石油危機では、原油高に直面して、世界中の自動車メーカーがアルミニウム合金を使用して鋼製ラジエーター、シリンダーヘッド、バンパーを製造しようとしました。燃料効率。それ以来、自動車におけるアルミニウム合金の割合は増加しています。有名なコンサルティング会社Ducker Worldwideが発表した調査データによると、ヨーロッパの自動車の平均アルミニウム消費量は1990年以降50kgから現在の151kgへと3倍になり、2025年には196kgに増加するでしょう。

図2.欧州の自動車用アルミニウム(140kg)の分配率(2012年のデータ)
現在、軽量化の傾向はますます厳しくなり、ハブ、エンジン、ラジエーター、オイルパイプなどにアルミ合金が広く使われています。ボディの質は、車の総質量の約40%を占めています。車全体の軽量化には、車体の重量が重要な役割を果たします。 2016 European Body Conference(EuroCarBody 2016)によると、アルミニウム合金の適用率は、ホワイトボディ(溶接されているが塗装されていないボディ)の一部のハイエンドモデルの品質の半分以上に達しています。 )。たとえば、アストンマーティンのDB11アルミニウム合金の適用率は86.1%と高く、第2世代のホンダNSX(Acura NSX)は79.0%、第5世代のランドローバーディスカバリーは62.9%です。ただし、通常のモデルのボディへのアルミニウム合金の適用は、まだ比較的少ないです。有名なコンサルティング会社Ducker Worldwideのデータによると、2015年のアルミニウム合金パネルの車体への侵入はわずか4%でした。今日でも、オールアルミニウムボディワークはピラミッドの先端のテクノロジーであり、使用されているのは一部のハイエンドモデル。軽量ボディは、軽量メーカーの開発における重要な研究テーマです。

図3. Aston Martin DB11アルミニウム合金のアプリケーションの分布

2.自動車用アルミ合金の主な種類

現在、自動車用アルミ合金は、基本的にダイカストアルミ合金と異形アルミ合金に分けられ、その中でもダイカストアルミ合金が主に使用されており、約66%を占めています。変形したアルミニウム合金は、さらに圧延シート(18%)、押し出しシート(11%)および少量の鍛造部品(5%)に分類できます。注目すべき点は、2016年の鋳造アルミニウム合金は依然として自動車用アルミニウム合金の主な形態ですが、そのシェアは2012年と比較して8ポイント減少しています。逆に、軽量ボディの開発により、圧延のシェアはシートは2012年の13%から2016年の18%に大幅に増加しました。同時に、押し出しプロファイルと鍛造品のシェアはあまり変わりません。

図4. 2016年と2012年のヨーロッパの自動車用アルミニウム合金の比較

a.Castアルミニウム合金

鋳造アルミニウム合金は、ほとんどの自動車で最も広く使用されているタイプのアルミニウム合金であり、ホイール、エンジン部品、アンダーフレーム、ショックアブソーバーブラケット、スペースフレームなどの構造部品で広く使用されています。自動車産業では、鋳造アルミ合金ホイールは、アルミ化率が高く、最も成長が速い部品です。現在、ほとんどのアルミニウム合金ホイールはA356合金を使用した低圧鋳造で製造されており、一部の高級ホイールは押出鋳造、型鍛造、またはスピニングで製造されています。エンジンのシリンダーブロックとシリンダーヘッドの両方に、優れた熱伝導性と耐食性が必要です。これがアルミニウム合金の利点です。現在、国内外の自動車の多くはアルミ製のシリンダーブロックやシリンダーヘッドを使用していますが、高強度、高抵抗が要求される場所では鋳鉄が使用されています。近年、新しいAl-Si-Cu-Mg-Fe合金の開発と対応する鋳造技術の開発により、アルミニウム合金鋳物の高性能化が可能になり、ディーゼルエンジンを含むエンジン部品へのアルミニウム合金の適用がさらに促進されました。重力鋳造や低圧鋳造など、シリンダーヘッドの鋳造方法も多様です。さらに、鋳造アルミニウム合金は、ショックアブソーバーブラケット、電気自動車のバッテリーパック、構造キャビネットなどの構造部品に広く使用されています。これらの部品は、ほとんどが複雑な形状の薄肉部材であるため、Al-Si合金を用いた高圧鋳造法で製造されることが多い。

b。変形アルミニウム合金

鋳造アルミニウム合金と比較して、自動車での変形アルミニウム合金の平均的なアプリケーションシェアはまだ小さいです。ダッカーワールドワイドの調査によると、2016年の自動車用アルミニウム合金の34%は、変形したアルミニウム合金のみでした(圧延板は18%、押し出しプロファイルは11%、鍛造品は5%)。ただし、オールアルミニウムボディを使用する一部のハイエンドモデルでは、変形アルミニウムの割合が鋳造アルミニウムの割合よりもはるかに高くなっています。現在、業界は変形アルミニウム合金の研究開発と応用技術に多額の投資を行っており、全アルミニウム体技術を含み、その比率は急速に増加しています。 Ducker Worldwideは、アルミニウム合金ボディ技術の急速な発展により、変形アルミニウム合金(特に圧延板)を自動車に適用すると、急速な成長がもたらされると予測しています(図1を参照)。
自動車用異形アルミ合金には、主に5xxxシリーズ(Al-Mgタイプ)、6xxxタイプ(Al-Mg-Siタイプ)、少量の2xxxシリーズ(Al-Cgタイプ)、7xxxタイプ(Al-Zn-タイプ)があります。 Mgタイプ)。中でも5xxx系合金は、熱処理・強化ができず、成形性に優れています。しかし、成形後は降伏点が長くなり、表面にシワが発生して製品の外観品質に影響を与えるため、主にインナーパネルなどの複雑な形状に使用されます。 6xxxシリーズ合金は、MgとSiの固溶体とMg2Si相の時効析出により、熱処理と強化が可能です。塗装・乾燥後の強度が向上し、耐へこみ性が高く、アウターパネルやボディフレームに最適です。強度、剛性。ロールシートを除いて、押し出しプロファイルは重要な自動車用変形アルミニウム合金でもあり、一般に、バンパー、エネルギー吸収ボックス、フロント縦ビームのフロントセクション、敷居、リア縦ビームのリアセクションなどの等断面の構造部品に適しています。中強度6xxxは、その高い押出速度と表面品質、および押出時の時効硬化特性により、押出プロファイルの主な材料です。高強度7xxxアルミニウム合金は、高強度が必要な押出プロファイルの製造にも使用されます。同時に、衝撃強度を向上させるために、プロファイルのプロファイルはほとんどが「口」、「日」、「メッシュ」です。

図5.押し出しプロファイルの「日」タイプのエネルギー吸収ボックス(左側の衝突前と右側の衝突後)

3.自動車用アルミニウム合金の課題と開発方向

アルミニウム合金は、自動車の軽量化において重要な役割を果たしますが、重要な課題にも直面しています。実際、軽量化とは、重量を減らすことだけではなく、車両のパフォーマンス、安全性、コスト、重量のバランスをとることです。現在、自動車用アルミニウム合金のコア抵抗は依然として高コストであり、そのため、オールアルミニウムボディのアプリケーションはハイエンドモデルにのみ限定され、一時的に多数の経済モデルに拡張することはできません。アルミニウム合金の性能制限も、その開発を制限する重要な要素です。一部の部品では、スチールを置き換えることができません。同時に、アルミニウム合金の接続技術、特に鋳鉄-アルミニウム、鋼-アルミニウム、マグネシウム-アルミニウムなどの多材料接合技術も、自動車へのアルミニウム合金の適用における主要な要素です。アウディの新しいA8 D5は、20年以上使用されているオールアルミニウムボディを「廃棄」し、かなりの重量の高張力鋼を使用していました。これにより、D5モデルは前モデルより51KG増加しましたが、ボディのねじり剛性が24%増加し、安全性が大幅に向上し、大幅なコストダウンを実現しました。
第6フレームワークプログラムでは、EUは超軽量ボディ共同研究開発プロジェクト(SuperLight-Car)を実施するために、2004〜2009年に9つの国と地域に38のユニットを編成しました。このプロジェクトの経験から、自動車用アルミニウム合金のさらなる開発は、新しい高性能合金と新しい生産技術の開発に焦点を当てるべきであることが示されています。研究開発作業では、リソースを統合する必要もあります。自動車メーカーは、原材料、部品サプライヤー、関連する科学研究機関と協力して、先進の軽量技術を共同で探求し、軽量の産業チェーンの確立を促進します。
主な参考資料:
1.Hirsch、J.(2014)。自動車用アルミニウムの最近の開発。中国の非鉄金属協会の取引、24(7)、1995-2002。
2.Hirsch、J.(2011)。革新的な軽量車デザインのアルミニウム。 Material Transactions、52(5)、818-824。
3. Lahaye、C.、Hirsch、J.、Bassan、D.、Criqui、B.、Sahr、C.、Goede、M。、およびVolkswagen、AG(2008)。超軽量車[C]のマルチマテリアル軽量BIWデザインへのアルミニウムの貢献。 HIRSCH Jでは、SKROTZKI B、GOTTSTEIN G.の第11回アルミニウム合金に関する国際会議の議事録。ヴァインハイム:WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA(pp。2363-2373)。
車の4.Aluminum内容。 Ducker Worldwide、https://www.ducker.com/
5.車のアルミニウム、軽量化の可能性を解き放ちます。欧州アルミニウム協会、https://www.european-aluminium.eu/
6.Goede、M.、Stehlin、M.、Rafflenbeul、L.、Kopp、G.、&Beeh、E.(2009)超軽量車–マルチマテリアル設計と機能統合による欧州構造、European Transport Research Review、1:5-10。
7.2016欧州機関会議(EuroCarBody)情報。

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

ja日本語