【ものづくり】自動車の革新を支える材料技術の最新動向

人とくるまのテクノロジー展 2018:アルミ加工、異種金属接合、金属造形3Dプリンターなど

2018/06/12

要約

  本レポートは2018年5月にパシフィコ横浜で行われた「人とくるまのテクノロジー展2018」におけるフォーラム「自動車の革新技術を支える材料技術の最新動向Ⅱ(軽金属・化成品)」の中から、下記の講演内容について報告する。

 

自動二輪車における材料技術の最新動向(ヤマハ発動機)

  自動二輪車、特にスーパースポーツはコンパクトで軽量、高性能であることが要求されるので、二輪レースで培った技術を市販車へと展開している。使用材料ではアルミニウム、マグネシウム、チタンなどを高精度加工技術や表面処理技術を多用して実用化している。また、近年では、自動二輪車においても地球環境への対応が要求されており、燃料消費量の低減、排出ガスの削減、電動化への対応に取り組んでいる。

 

Al/Fe異種金属接合における界面創製を目指して(東北大学)

  鉄鋼の一部をアルミニウム合金に置き換えるマルチマテリアル化は構造体の軽量化が見込まれるため、自動車産業において注目されている。鉄鋼とAl合金の異種金属接合は軽量化に必要不可欠な技術であるが、異種金属接合界面には脆弱なFe-Al系金属間化合物(IMC)層が形成され、機械的特性を著しく低下させることが問題となっている。本講演ではこの解決策を検討した結果が報告されていた。

 

アルミダイカスト部品
人とくるまのテクノロジー展2018 リョービの展示より

加圧式金属鋳造法によるアルミニウム厚肉品製造技術の開発(リョービ)

  車両の軽量化は燃費向上に貢献することから、従来の鋳鉄からアルミニウム合金へ材料置換が行われている。足回り部品であるナックルも材料を鋳鉄からアルミニウム合金へ置換することで30~50%軽量化できるため、その要求が高まっている。しかし、ダイカスト製法はナックルのような厚肉で肉厚変化の大きい製品には不向きであり、厚肉品の製造に適した重力鋳造、低圧鋳造、スクイズダイカストではコスト高になる。
  このような厚肉部品に適し、コンパクトな設備かつ短いサイクルタイムで高品質な鋳造が可能なGDスクイズ鋳造法を開発した。

 

軽金属プロセス全般に関わる3Dプリンターの変遷と展望(産業技術総合研究所)

  従来、3Dプリンターは迅速試作技術として、光造形法を中心に、樹脂素材を造形し、形状確認や設計上の機能評価に用いられていた。しかし、今後はRP(ラピッドプロト)の用途は減少し、代わりに製品や部品製造への用途展開が実用化されつつある。ここでは、金属部材製造を目指した金属造形3Dプリンターの課題と展望についてまとめた。

 

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自動二輪車における材料技術の最新動向(ヤマハ発動機)

  ヤマハ発動機 原田 久氏の講演では、自動二輪車の構成材料に関する最近の動向が紹介されていた。

  二輪車の構成材料としては鉄とアルミが約75%を占めている。中でも価格の安いことが重要視されるコミューター用では鉄が全体の2/3近くを占める。一方で、運動性能がより重視されるスーパースポーツ車では、よりアルミが多用され、鉄と同量程度に使われている。

  二輪車の構成材料への要求項目としては、小型エンジンとコンパクトな車体を実現することであり、具体的には以下の3項目になる。

  1. 軽量化と高出力の両立
  2. 燃費向上
  3. 低コスト

 

レースで培った技術の展開

  アルミニウム製鍛造ピストンの事例では、1990年代にレースで採用し、その後2010年にはほとんどすべての市販スーパースポーツ車に展開した。エンジン関係ではその他にもマグネシウム製カムカバー、チタンマフラー、ニッケル溶射シリンダー、チタン製FS(Fracture Splitting、カチ割)コンロッドなどがある。

  二輪モデルのYZF-R1 (2015年)、YZF-R6(2017年)にレースで採用した軽量化技術を採用。Mg(マグネシウム)ホイール、Ti(チタン)コンロッド、Al(アルミ)燃料タンクなど。

レースで培った技術の展開 エンジン材料技術とその展開
アルミニウム制御鍛造ピストンの量産を可能とした“制御鍛造技術”の工程イメージ オールアルミDiASilシリンダー
従来型の鉄スリーブ採用シリンダー(左)とダイアジルシリンダー(右)
オールアルミ製なので軽量で放熱性に優れる

出典:ヤマハ発動機 広報資料

 

自動二輪車フレームの材料技術

  スーパースポーツ車の外骨格やスクーターなどの内骨格など構造部材に使えるアルミダイカスト技術を開発し、疲労強度の高いマグネシウムへと発展させた。その他の車体材料技術では、溶接アルミニウムフレーム、大型重力鋳造フレーム、チタンスプリング、アルミ燃料タンクなどがある。

  アルミニウムフレームは、2000年代より溶接ラインを従来の半分以下にして寸法精度を向上させている。溶接ラインの短縮に加えて部品点数も大幅に減らすことで、強度、生産性、外観特性を向上させている。

自動二輪車フレームの材料技術 軽量化技術を量産車に採用
アルミ鋳造技術とアプリケーション マグネシウム製ダイカストホイール アルミニウム製燃料タンク

出典:ヤマハ発動機 広報資料

 

FS(Fracture Splitting、カチ割)チタンコンロッド

  コンロッド材料を、従来品のSCM420浸炭処理からαβ型チタン合金(表面処理CrNドライコーティング*)に替えることで、20%軽量化(338g→270g)、回転数1000rpmアップ、最高出力200hpを達成した。二輪モデルのYZF-R1、YZF-R6に搭載。
* CrNドライコーティング:耐摩耗表面処理

 

マグネシウム製ダイカストホイール

  ホイールの材料を従来品の中空5本スポーク(材質:AC4CH-T6)から、H型10本スポーク(材質:AM60B-F)に替えることで、板厚分布のバランスを良くして薄肉設計を実現し、軽量化と鋳造性を向上させた。

 

アルミニウム製燃料タンク

  燃料タンクの材質を従来品のスチール製からアルミニウム製にして、軽量化だけでなく、高意匠・高機能・高品質を実現した。

 

自動二輪車の地球環境への対応

今後の課題

 

電動二輪車の動向と課題

  電動二輪車の世界の総需要は5,177万台(2016年)で、その約80%はアジア地域向けである。
  日本の需要は51,000台(2017年)。原付1種クラスから原付2種、大型2輪へとモーター高出力化の傾向にある。

モーターの課題:

  • モーターの高出力化
  • コスト低減
  • 発熱対策
  • 積載性(小型化)

バッテリーの課題:

  • バッテリー容量
  • 脱着式
  • 大容量バッテリーパック
  • コスト低減
  • 積載性(小型化)


Al/Fe異種金属接合における界面創製を目指して(東北大学)

  東北大学 佐藤 裕氏の講演では、アルミニウム(Al)と鉄(Fe)の接合実験による異種金属接合の強度を向上させるメカニズムが紹介された。

  信頼性の高い異種金属接合を達成するためには、接合時に生じる界面冶金現象を制御して優れた特性の界面層を意図的に作り出すことが重要である。本研究ではAlとFeの異種金属接合での界面創製を目指して、界面での金属間化合物(IMC: intermetallic compound)層形成・接合強度に与える各種合金元素の影響を明らかにすることを目的とした。

 

実験方法

  添加元素の少ないIF鋼(板厚2mm)をFe側の試材とし、各種合金元素を含んだAl合金を用意した。各種合金元素としては文献調査等より、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)を選定。
 *IF鋼:Interstitial Free鋼、極低炭素鋼

  Al/Fe異種金属接合は、TIGアークブレージング*を用いて実施した(図1)。接合強度は引張せん断試験により調べた。引張せん断試験片は幅10mmになるように切り出した後、引張荷重が付与する界面積が10×3平方ミリメートルとなるように切り込みを入れている(図2)。
 *TIG (Tungsten Inert Gas) アークブレージング:タングステンの電極とアルゴンガスなど化学反応が起きにくい不活性ガスを使い、アークの高熱で溶接する技術

使用したTIGアークブレージングの模式図 接合部断面写真と切り込み位置
TIGアークブレージングの模式図 接合部断面写真と切り込み位置

出典:フォーラムテキストY14/15「自動車の革新を支える材料技術の最新動向Ⅱ」

 

実験結果

  元素を添加しない場合、引張せん断強度は約27MPaであったが、合金元素を添加することで引張せん断強度は増加する傾向を示した。特にNi添加が最も大きな強度改善効果を示し、3.5at.%のNi添加において引張せん断強度は約61MPaとなった(図4)。

  Al/Fe接合界面への元素添加により接合強度が上昇したのは、Fe2Al5の微細化によると考えられる(図9)。Fe2Al5の結晶粒幅と接合強度の相関性を調べると、Fe2Al5の結晶粒幅が減少するほど接合強度が上昇することがわかった(図10)。

引張せん断強度に及ぼす添加元素の影響 接合界面に形成されたFe2Al5のEBSGイメージクオリティマップに及ぼすNi添加の影響 EBSD(Electron backscatter diffraction、電子線後方散乱回折法) 接合強度に及ぼすNi添加の影響
引張せん断強度に及ぼす添加元素の影響 接合界面に形成されたFe2Al5 Fe2Al5の接合強度に及ぼすNi添加の影響

出典:フォーラムテキストY14/15「自動車の革新を支える材料技術の最新動向Ⅱ」

 

  これらの結果はTIGアークブレージングを用いたAl/Fe異種金属接合において得られたものであるが、レーザーブレージングや摩擦攪拌接合(FSW)など他の溶接・接合法においても、Ni添加によるFe2Al5の微細化とそれに伴う接合強度の向上を確認している。現在は、合金元素の複合添加について検討するとともに、Al/CuやAl/Tiなど他の異種金属接合への展開を進めている。

 



加圧式金属鋳造法によるアルミニウム厚肉品製造技術の開発(リョービ)

  リョービ株式会社 古田 昌伸氏の講演では、アルミダイカスト厚肉品製造のために開発された「GDスクイズ鋳造法」が紹介された。

 

厚肉品製造の従来工法とその課題

  厚肉品製造に適した主な鋳造法としては、重力鋳造、低圧鋳造およびスクイズダイカストが挙げられる。これらの鋳造法に共通する点は、溶融アルミを層流で充填することにより、高品質の肉厚品を製造できることである。一方、重力鋳造や低圧鋳造ではサイクルタイムが長いこと、スクイズダイカストでは設備が大きく高価なことが課題となっている。これらは製品コストが高くなる要因であり、よりコンパクトな設備を用いて短いサイクルで高品質な肉厚品を作ることが望まれている。

 

GDスクイズ鋳造法

  厚肉品製造における従来工法の課題を解決するため、傾斜金型鋳造をベースに凝固収縮を補うための加圧機構を加えた「GDスクイズ鋳造法」を開発した。以下にこの鋳造法の特徴、量産状況などについて紹介する。

 

GDスクイズ鋳造の特徴
  1. 設備(図2)
    固定プラテン、可動プラテンおよび可動ベースがタイバーで連結されており、傾転軸を持つ傾斜式鋳造機となっている。金型への溶湯充填は鋳造機の傾転で行い、型締めは可動ベースに設置された2本の油圧シリンダー(型締め力1068kN)によって行う。スクイズ用油圧シリンダーは固定プラテンに取り付けられ、最大推力356kNとしている。

  2. 金型
    GDスクイズ鋳造法の特徴的な構成としてスクイズピンがある(図3)。重力鋳造では凝固収縮を補うために押し湯を設置するが、GDスクイズ鋳造では押し湯の役割をスクイズで行うため、押し湯は必要ない。

  3. GDスクイズ鋳造の工程
    1サイクルの工程は以下の順で行う。
    型締め&準備傾転 → 注湯 → 充填傾転 → ゲート遮断弁閉め → スクイズ → キュアリング(金型内部冷却)→ 型開き → 製品押し出し・取り出し → 離型剤塗布
GDスクイズ鋳造設備の外観図 GDスクイズ鋳造の金型断面図
GDスクイズ鋳造設備の外観図 GDスクイズ鋳造の金型断面図

出典:フォーラムテキストY14/15「自動車の革新を支える材料技術の最新動向Ⅱ」

 

従来工法とGDスクイズ鋳造品のDASⅡ測定結果
従来工法とGDスクイズ鋳造品のDASⅡ(金属ミクロ組織の平均粒径)測定結果
(出典:フォーラムテキストY14/15「自動車の革新を支える材料技術の最新動向Ⅱ」)
製品の品質向上に寄与する技術
  1. 層流充填
    鋳造機の傾転により溶湯を層流で金型内に押し込む。傾転速度を5ステップで切り替えることができる。

  2. スクイズ
    アルミは凝固の際に5~7%収縮する。重力鋳造では凝固収縮を補うために押し湯を設置するが、GDスクイズ鋳造では押し湯の役割をスクイズで行う。GDスクイズ鋳造では湯道およびスクイズボスが製品外であり、材料歩留まりは70~80%である。90~95%の低圧鋳造には及ばず、材料歩留まり改善のためにスクイズボスは製品中央で平面部に設置することが望まれる。

  3. 塗型レス
    GDスクイズ鋳造では金型に塗型を施さず、各ショット鋳込み前に離型剤を塗布する。塗型を使用しないGDスクイズ鋳造では溶湯の凝固速度をより高める(重力および低圧鋳造の約3.5倍)ことができ、サイクルタイムを短く、組織を微細にすることができる。

 



軽金属プロセス全般に関わる3Dプリンターの変遷と展望(産業技術総合研究所)

  国立研究開発法人 産業技術総合研究所 岡根 利光氏の講演では、3Dプリンターの種類と進化、金属造形や鋳造技術における活用と課題について紹介された。

 

3Dプリンターの種類

  積層造形技術による3Dプリンターは、かつてはラピッドプロトタイピング(RP)とも呼ばれ、1987年頃から実用化が開始された。RP用途における代表的な技術として、3Dプリンターには光造形技術から始まり、シート積層法(LOM)、溶融堆積法(FDM)などがある。これらの技術は基本特許の保護期間終了に伴い、低価格な装置の普及が進んでいる。

 

RPラピッドプロトタイピング(RP)から付加製造(AM)へ

  近年は粉末を原料に加熱して溶融凝固させ、金属や樹脂の3D形状の最終製品を得る方法が進化している。このことは金属や樹脂の3Dプリンター造形品がそのまま実用部材に使えるようになったことを示している。それに伴い呼称もRPからAM(Additive Manufacturing、付加製造)へと変化している。



金属造形3Dプリンターの活用

粉末床溶融法(PBF: Powder Bed Fusion)

  高出力ファイバーレーザーの普及、金属粉末の品質向上や制御技術の発達により、密度がほぼ100%の造形が可能になっている。加えて急速加熱・急速冷却のプロセスで結晶粒微細化の効果もあり、鋳造品(および一部の鍛造品)を超える機械的性質が得られている。

  電子ビーム、レーザーそれぞれの熱源の特徴から、造形方法、造形物にもそれぞれ特徴がある。電子ビームは、大出力・高速スキャンが可能・真空中造形といった特徴であり、造形面全体を700~800℃程度まで予熱した中で造形が可能、低い残留応力も特徴である。造形速度、表面精度、造形品質、適応材料の広さ等に優れている。

  電子ビーム、レーザーといった加熱源の特徴から、PBFは高融点金属の溶融に向いている。鋳造の難しい材料かつ高付加価値という観点から、軽量構造部材としてのTitanium合金、耐熱部材としてのNickel基合金、生体適合材料としてのCobalt-Chrome合金による造形の実用化が先行して進められている。装置の普及が進んだ近年では、自動車やその他の用途を目指して、Aluminium合金、Copper合金の造形事例も報告されている。

 

指向性エネルギー堆積法(DED: Directed Energy Deposition)

  レーザーやアークを熱源とし、金属粉末やワイヤー等の材料を供給しながら、選択的に溶融凝固させて堆積を繰り返しながら造形する方法。PBFに比べて表面粗さに劣るが、粉末供給とレーザー、シールドガスを同軸化したノズル(LMD: Laser metal deposition)が開発され、加工機と組み合わせた装置が実用化されている。



金属造形3Dプリンターの課題と展望

  1. 工法置換による高性能化
    従来鋳造品や鍛造、機械加工により製作していた部材に対し、金属造形3Dプリンターによる工法置換や形状付与により、軽量化、高機能化、短納期、オーダーメイド、コストダウンを目指す。例として航空機エンジンのブレード、ロケットのノズル、歯のクラウン、少量生産自動車の部材等が挙げられる。
    信頼性については従前の部材と同等の機械的特性・信頼性が求められる場合が多く、欠陥発生に対して造形姿勢や形状依存性の影響が大きい本プロセスにおけるCAEを駆使した設計ツールの確立が望まれる。また、CT等の欠陥評価技術の高度化との連携も不可欠である。

  2. 新たな形状および材料特性の創出による新機能部材の開発
    新たな形状に起因する機能付与や、高速凝固や凝固の異方性といった特徴を生かした新たな材料特性により、これまでにない機能部材創製を目指す。ラティス構造による断熱特性を生かしたロケット姿勢制御用噴射ノズル、患者の負担を減らせる脊椎インプラント等の試作例が挙げられる。

 

鋳造技術における3Dプリンターの活用

  1. 模型と鋳型の製作
    鋳造とは金属を溶解し、鋳型に注湯・凝固させることによって、目的の形状に成形する加工方法である。軽金属においては自動車用エンジン、航空機部材等、輸送機器を中心に用いられている。鋳造のプロセスでは、製品と同形状の模型、模型から鋳型、鋳型から鋳造品へと、型を利用して型を作り、複数回の転写工程を経て鋳造品を製作する。3Dプリンターが目指す、3Dデータから直接・迅速造形、複雑形状の一体成形などの特徴は、いずれの段階の型製作においても有効である。

  2. 精密鋳造
    精密鋳造はチタンなど高融点金属の鋳造に適した技術であり、Nickel基合金の一方向凝固・単結晶材は耐熱性に優れ、航空機エンジンのブレードに用いられている。通常は金型もしくはゴム型を用いてワックス型を取る。さらにワックス型から鋳型、鋳型から鋳造品を製作する。
    精密鋳造のワックス型もしくはその代替品を3Dプリンターで製作することが行われており、マテリアルジェット法によるワックス材の直接造形、光造形法を用いたワックス型代替品の製作が行われている。金属を用いないことで、アンダーカットのある形状の成形、金型コスト低減、リードタイム短縮が可能である。

  3. インクジェット砂型積層造形(下図左)

    砂を積層し、その上にバインダーを選択的にインクジェットして積層造形するバインダージェット法(BJ)による3Dプリンター鋳型造形技術が実用化されている。3Dプリンターでは鋳型を一体化して造形できることから、迅速生産、より複雑な形状の実現、鋳型精度向上による薄肉軽量化に適している。また、熱プロセスではないためビーム走査が不要なことから、装置の大型化が可能なことと、他の積層造形技術に比べて100倍もしくはそれ以上の高速化が可能なことが特長といえる。

    自動車分野では燃費および走行性能の向上を目的に、車体の軽量化、エンジン自体の効率向上、パワーステアリングの電動化、ダウンサイジングターボ、HEV/PHEV/EV/FCV化が進み、いずれも鋳造部品が中核部材として用いられている。乗用車用エンジンの吸気マニホールドを試作した例(下図右)では、鋳造品の薄肉化により、冷却→吸気効率の向上、軽量化、コンパクト化が図られる。今後、装置の高速化により月産数千台の製品にも対応できるようになれば、一般量産車への適用の道が開ける。

積層造形による3D砂型製造 鋳造のプロセスと製品

資料:産総研 TODAY 2014-01

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キーワード
材料技術、軽金属、アルミ、軽量化、電動化、マルチマテリアル、成形、接合、溶接、鋳造、3Dプリンター、ヤマハ、東北大学、リョービ、産業技術総合研究所、産総研

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