自動車産業で使用される車体パネルおよび構造部材用金属材料の最新動向, 2024

本論文概要は、['MDPI']が発行した['自動車産業で使用される車体パネルおよび構造部材用金属材料の最新動向'(Current Trends in Metallic Materials for Body Panels and Structural Members Used in the Automotive Industry)]論文に基づいて作成されました。

1. 概要：

  • タイトル：自動車産業で使用される車体パネルおよび構造部材用金属材料の最新動向(Current Trends in Metallic Materials for Body Panels and Structural Members Used in the Automotive Industry)
  • 著者：トマシュ・トシェピエチンスキ、シェルワン・モハメド・ナジム
  • 発行年：2024年
  • 発行ジャーナル/学術団体：Materials, MDPI
  • キーワード：アルミニウム合金；自動車産業；車体パネル；鋼鉄；チタン合金
Figure 1. Classification of steels used in the automotive industry(reproduced with permission from Reference [4]; copyright © 2024 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier B.V. All rights reserved).
Figure 1. Classification of steels used in the automotive industry(reproduced with permission from Reference [4]; copyright © 2024 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier B.V. All rights reserved).
Table 1. Selected properties of cold-rolled flat products from low-carbon steel, prepared on the basis of PN-EN 10130 [62] standard.
Table 1. Selected properties of cold-rolled flat products from low-carbon steel, prepared on the basis of PN-EN 10130 [62] standard.

2. 抄録または序論

抄録：自動車産業における車体パネルおよび荷重支持部材用の軽量で耐久性のある材料の開発は、車両性能を低下させることなく燃料消費量を削減したいという絶え間ない要望の結果です。本研究では、主に量産シリーズを特徴とする自動車産業におけるこれらの合金の使用に関する調査を扱っています。構造全体における軽量金属のシェアを増やすことは、燃料消費量と大気への二酸化炭素排出量を削減するための取り組みの一環です。環境持続可能性の側面を考慮すると、金属板は複合材料よりもリサイクルが容易です。同時に、過去10年間で、非鉄金属合金製のシートの塑性成形に関連する研究が増加しています。本論文は、自動車産業における金属材料の基本的な応用に関する最新の体系的な概要を提供します。本論文では、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金の4つの主要な金属材料グループに焦点を当てています。本研究は、個々の材料グループの開発における限界と、車体パネルおよびその他の構造部品に使用される材料の潜在的な開発動向に注目しています。

3. 研究背景：

研究テーマの背景：

自動車産業は、車両性能を低下させることなく燃料消費量と排出量を削減する必要性に駆り立てられています。これは、車体パネルおよび荷重支持部材に軽量で耐久性のある材料を開発し、適用する必要があることを意味します。自動車産業は大量生産を特徴とするため、材料の選択は技術的、材料的、経済的基準に基づいて非常に重要です。歴史的に鋼鉄が主要な材料でしたが、環境問題と燃費向上の必要性から、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などの軽量代替材料への進化が進行中です。

既存研究の現状：

既存の研究開発努力は、ウルトラライトスチールオートボディ（ULSAB）のようなプロジェクトに牽引された、先進高張力鋼（AHSS）グレードに大きく集中しています。特にアルミニウム合金を含む非鉄金属合金製のシートの塑性成形に関連する研究も、過去10年間で増加しています。鋼鉄の化学組成と微細構造の継続的な最適化とともに、必要な剛性と軽量化を達成するために、金属ベースのラミネートおよび異なる材料を組み合わせたハイブリッド構造への関心が高まっています。

研究の必要性：

本研究は、自動車産業、特に車体パネルおよび構造部材に使用される金属材料の応用に関する最新の体系的な概要を提供するために必要です。特に、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金に焦点を当てています。これらの材料グループの現在の動向、限界、および潜在的な開発動向を理解することは、特に軽量化と持続可能性に対する要求が高まるにつれて、自動車分野における将来の材料選択と開発努力を導く上で非常に重要です。

4. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本論文の目的は、自動車産業における車体パネルおよび支持部品に使用される金属材料の応用に関する最新の概要を示すことです。主な金属材料グループである鋼、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金に焦点を当てています。また、個々の材料グループの開発における限界と、車体パネルおよびその他の構造部品に使用される材料の潜在的な開発動向を強調することを目的としています。

主な研究内容：

本論文で探求する主な研究分野は以下のとおりです。

  • 自動車の車体パネルおよび構造部材に使用される鋼、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金の現在の応用。
  • 各材料グループ内のさまざまなグレードの分類と特性（例：鋼の場合、低強度鋼、高強度鋼、先進高張力鋼）。
  • これらの金属材料の成形性と応用分野に影響を与える加工方法と要因。
  • 自動車産業における各材料グループの限界と潜在的な開発動向。

研究仮説：

本論文はレビュー論文であり、明示的な研究仮説を提示していません。自動車産業における金属材料の応用に関する既存の知識と動向を体系的にレビューし、要約しています。

5. 研究方法論

研究デザイン：

本研究では、体系的レビューデザインを採用しています。これは、自動車産業における金属材料に関連する既存の研究および出版物を収集し、分析する文献レビューです。

データ収集方法：

データ収集方法は、材料科学、自動車工学、および製造に関連する学術団体およびジャーナルの研究論文、業界レポート、規格、および出版物を含む既存の文献から情報を収集することを含みます。論文の最後にリストされている参考文献は、データ収集に使用された情報源を示しています。

分析方法：

分析方法は質的かつ記述的です。著者らは、さまざまな情報源から情報を体系的にレビューし、統合して、自動車産業における金属材料の現在の動向、応用分野、限界、および将来の方向性に関する概要を提供しました。本論文では、材料をグループとサブグループに分類し、その特性を説明し、レビューされた文献に基づいて応用分野を議論しています。

研究対象と範囲：

研究対象は、自動車産業、特に車体パネルおよび構造部材に使用される金属材料です。範囲は、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金の4つの主要な金属材料グループに限定されています。本レビューでは、自動車の文脈におけるこれらの材料の応用分野、特性、限界、および開発動向に焦点を当てています。

6. 主な研究結果：

主な研究結果：

  • 鋼鉄: 本論文では、低炭素鋼から先進高張力鋼（AHSS）への鋼鉄使用の進化、AHSSのさまざまな世代（第1世代、第2世代、第3世代）について詳しく説明しています。IF鋼、DP鋼、TRIP鋼、TWIP鋼、プレス成形鋼などのさまざまな鋼鉄グレードの特性、強化メカニズム、車体構造、フレーム、補強材への応用分野について議論しています。鋼鉄の腐食防止方法についても議論されています。
  • アルミニウム合金: 本レビューでは、低密度と耐食性によるアルミニウム合金の重要性の高まりを取り上げています。アルミニウム合金をシリーズ（1xxx〜9xxx）に分類し、合金元素、特性、応用分野を詳しく説明しています。本論文は、5xxxおよび6xxxシリーズが自動車車体部品に最も関連性が高いことを強調し、特定の合金とその車体パネル、構造部品、およびクロージャーへの応用分野について議論しています。
  • チタン合金: チタンとその合金は、高性能用途に適した、優れた比強度と耐食性を備えた材料として紹介されています。本論文では、チタン合金のさまざまなグレードと分類（アルファ、アルファ-ベータ、ベータ）、特性、排気システム、サスペンションスプリング、車体部品、フレーム、特にハイエンドおよびニッチ車両での応用分野について議論しています。
  • マグネシウム合金: マグネシウム合金は、非常に低い密度と高い減衰能力で強調されています。本レビューでは、低い可塑性によるマグネシウム合金の成形の難しさについて議論していますが、駆動システム、車両リム、ブラケット、プロファイル、および内部ドア部品での使用が増加していることに注目しています。自動車構造における特定のマグネシウム合金とその応用分野がリストされています。

提示されたデータの分析：

本論文では、主に記述的な形式でデータが提示され、他の出版物から直接参照された表と図によって裏付けられています。表には、さまざまな自動車部品および出典資料への参照とともに、特定のグレードの鋼鉄、アルミニウム、チタン、およびマグネシウム合金がリストされています。図は、材料分類（鋼鉄、チタン合金）、加工方法（QP鋼熱サイクル、TWIP鋼製造）、および材料応用分野の例（Audi AL2車体構造、Bugattiチタン部品）を示しています。さまざまな鋼鉄グレードの引張強度と伸びのデータがグラフで示され（図1）、さまざまなステンレス鋼ファミリーの引張曲線が比較されています（図6）。

図リスト：

Figure 2. The influence of bake hardening on stress (reproduced with permission from Reference [78]; copyright © 2024 Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 2. The influence of bake hardening on stress (reproduced with permission from Reference [78]; copyright © 2024 Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 3. Typical microstructure of (a) HSLA and (b) DP steel (reproduced with permission from Reference [31]; copyright © 2024 Woodhead Publishing Limited. All rights reserved).
Figure 3. Typical microstructure of (a) HSLA and (b) DP steel (reproduced with permission from Reference [31]; copyright © 2024 Woodhead Publishing Limited. All rights reserved).
Figure 4. Fabrication procedure of the cold-rolled LC/TWIP/LC and IF/TWIP/IF sheets (reproduced with permission from Reference [102]; copyright © 2024 Elsevier B.V. All rights reserved).
Figure 4. Fabrication procedure of the cold-rolled LC/TWIP/LC and IF/TWIP/IF sheets (reproduced with permission from Reference [102]; copyright © 2024 Elsevier B.V. All rights reserved).
Figure 5. Thermal cycle for the quenching and partitioning process (Ac3—transformation temperature, RT—room temperature), prepared with permission from Reference [132] (copyright © 2024 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 5. Thermal cycle for the quenching and partitioning process (Ac3—transformation temperature, RT—room temperature), prepared with permission from Reference [132] (copyright © 2024 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 6. Comparison of tensile curves of selected corrosion-resistant steel families (reproduced with permission from Reference [139] (copyright © 2024 Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 6. Comparison of tensile curves of selected corrosion-resistant steel families (reproduced with permission from Reference [139] (copyright © 2024 Elsevier Ltd. All rights reserved).
Figure 7. Aluminium alloy-specific Chinese automotive demand estimates. Top to bottom, the three rows show No-LT (a–c), Middle-LT (d–f), and High-LT (g–i). Three columns show Low-PN, Middle-PN, and High-PN situations from left to right. Where LT = light-weighting-trend and PN = penetration scenario (reproduced with permission from Reference [218]; copyright © 2024 The Author(s). Published by Elsevier B.V.).
Figure 7. Aluminium alloy-specific Chinese automotive demand estimates. Top to bottom, the three rows show No-LT (a–c), Middle-LT (d–f), and High-LT (g–i). Three columns show Low-PN, Middle-PN, and High-PN situations from left to right. Where LT = light-weighting-trend and PN = penetration scenario (reproduced with permission from Reference [218]; copyright © 2024 The Author(s). Published by Elsevier B.V.).
Figure 8. Audi AL2 aluminium body structure (reproduced with permission from Reference [251]; copyright © 2024 Elsevier Science S.A. All rights reserved).
Figure 8. Audi AL2 aluminium body structure (reproduced with permission from Reference [251]; copyright © 2024 Elsevier Science S.A. All rights reserved).
Figure 9. Baseline part and demonstration part geometry (reproduced with permission from Reference [279]; copyright © 2024, The Minerals, Metals & Materials Society).
Figure 9. Baseline part and demonstration part geometry (reproduced with permission from Reference [279]; copyright © 2024, The Minerals, Metals & Materials Society).
Figure 10. Forming trial results on 7xxx alloy at various forming temperatures (reproduced with permission from Reference [279]; copyright © 2024, The Minerals, Metals & Materials Society).
Figure 10. Forming trial results on 7xxx alloy at various forming temperatures (reproduced with permission from Reference [279]; copyright © 2024, The Minerals, Metals & Materials Society).
Figure 11. The strength of Al–Si alloys, prepared on the basis of data from [209,287–290].
Figure 11. The strength of Al–Si alloys, prepared on the basis of data from [209,287–290].
Figure 12. Classification of the titanium alloys.
Figure 12. Classification of the titanium alloys.
Figure 13. The main applications of titanium and titanium alloys (reproduced with permission from Reference [314]; copyright © 2024, Springer Nature Switzerland AG).
Figure 13. The main applications of titanium and titanium alloys (reproduced with permission from Reference [314]; copyright © 2024, Springer Nature Switzerland AG).
Figure 14. Bugatti titanium components: (a) eight-piston monobloc brake calliper, (b) active spoiler bracket, and (c) tailpipe trim covers (reproduced with permission from Reference [319]; copyright © 2024 The Authors. Published by Elsevier B.V.).
Figure 14. Bugatti titanium components: (a) eight-piston monobloc brake calliper, (b) active spoiler bracket, and (c) tailpipe trim covers (reproduced with permission from Reference [319]; copyright © 2024 The Authors. Published by Elsevier B.V.).
Figure 15. Large titanium engine component by Precision Castparts Corporation (reproduced with permission from Reference [320]; copyright © 2024 Published by Elsevier B.V.).
Figure 15. Large titanium engine component by Precision Castparts Corporation (reproduced with permission from Reference [320]; copyright © 2024 Published by Elsevier B.V.).
Figure 16. Development chronologically of titanium parts (reproduced with permission from Reference [331]; copyright © 2024 Elsevier Inc. All rights reserved).
Figure 16. Development chronologically of titanium parts (reproduced with permission from Reference [331]; copyright © 2024 Elsevier Inc. All rights reserved).
  • 図1. 自動車産業で使用される鋼鉄の分類（参考文献[4]から許可を得て転載；著作権©2024 Acta Materialia Inc. Elsevier B.V.発行。無断複写・転載を禁じます）。
  • 図2. ベーキング硬化が応力に及ぼす影響（参考文献[78]から許可を得て転載；著作権©2024 Elsevier Ltd. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図3. （a）HSLA鋼と（b）DP鋼の典型的な微細構造（参考文献[31]から許可を得て転載；著作権©2024 Woodhead Publishing Limited. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図4. 冷間圧延LC/TWIP/LCおよびIF/TWIP/IFシートの製造手順（参考文献[102]から許可を得て転載；著作権©2024 Elsevier B.V. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図5. 焼入れおよびパーティング処理の熱サイクル（Ac3-変態温度、RT-室温）、参考文献[132]から許可を得て作成（著作権©2024 Acta Materialia Inc. Elsevier Ltd. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図6. 選択された耐食性鋼ファミリーの引張曲線比較（参考文献[139]から許可を得て転載；著作権©2024 Elsevier Ltd. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図7. アルミニウム合金固有の中国自動車需要予測。上から下へ、3つの行はNo-LT（a〜c）、Middle-LT（d-f）、およびHigh-LT（g-i）を示しています。3つの列は、左から右へLow-PN、Middle-PN、およびHigh-PNの状況を示しています。ここで、LT = 軽量化トレンド、PN = 浸透シナリオ（参考文献[218]から許可を得て転載；著作権©2024 The Author(s). Elsevier B.V.発行）。
  • 図8. Audi AL2アルミニウム車体構造（参考文献[251]から許可を得て転載；著作権©2024 Elsevier Science S.A. 無断複写・転載を禁じます）。
  • 図9. ベースライン部品とデモンストレーション部品の形状（参考文献[279]から許可を得て転載；著作権©2024, The Minerals, Metals & Materials Society）。
  • 図10. さまざまな成形温度での7xxx合金の成形試験結果（参考文献[279]から許可を得て転載；著作権©2024, The Minerals, Metals & Materials Society）。
  • 図11. Al–Si合金の強度、[209,287-290]のデータに基づいて作成。
  • 図12. チタン合金の分類。
  • 図13. チタンおよびチタン合金の主な応用分野（参考文献[314]から許可を得て転載；著作権©2024, Springer Nature Switzerland AG）。
  • 図14. Bugattiチタン部品：（a）8ピストンモノブロックブレーキキャリパー、（b）アクティブスポイラーブラケット、（c）テールパイプトリムカバー（参考文献[319]から許可を得て転載；著作権©2024 The Authors. Elsevier B.V.発行）。
  • 図15. Precision Castparts Corporation製大型チタンエンジン部品（参考文献[320]から許可を得て転載；著作権©2024 Published by Elsevier B.V.）。
  • 図16. チタン部品の年代順開発（参考文献[331]から許可を得て転載；著作権©2024 Elsevier Inc. All rights reserved）。

7. 結論：

主な調査結果の要約：

本レビューでは、鋼鉄は依然として広く使用されており、費用対効果の高い材料であり、特にAHSSは、特性とリサイクル性のバランスが取れているため、自動車製造に特に適していると結論付けています。アルミニウム合金は軽量化のためにますます重要になっており、5xxxおよび6xxxシリーズが主流となっています。チタン合金は、優れた比強度と耐食性を提供しますが、コストと成形上の課題により、ニッチな用途に限定されています。マグネシウム合金は、アルミニウム合金よりも車両重量を削減する可能性がさらに高いですが、成形性の限界と大量生産の課題に直面しています。

研究の学術的意義：

本研究は、自動車産業で使用される金属材料に関する包括的で最新の体系的な概要を提供します。材料の動向、分類、特性、および応用分野に関する現在の知識を統合することにより、研究者や専門家にとって貴重なリソースとして役立ちます。本レビューは、自動車材料科学における研究ギャップと潜在的な将来の方向性を強調しています。

実用的な意味合い：

本レビューの実用的な意味合いは、自動車エンジニアや材料科学者にとって重要です。性能要件、コスト考慮事項、および持続可能性目標に基づいて材料を選択するためのガイダンスを提供します。限界と開発動向の概要は、材料特性の改善、コスト削減、および量産車における軽量金属の応用拡大を目的とした将来の研究開発努力に情報を提供できます。

研究の限界と今後の研究分野：

本研究は、既存の文献のレビューに限定されており、オリジナルの実験的研究は含まれていません。特定された今後の研究分野には、以下が含まれます。

  • コーティングされた材料や、望ましい異方性特性を持つ材料の深絞り技術の開発。
  • 強化された強度と成形性を備えたAHSSのさらなる開発、新しい冷間スタンピング技術を含む。
  • 大量生産でのより広範な採用を可能にするために、軽量化のための従来の材料に代わる費用対効果の高い代替材料の探求。
  • 持続可能性の懸念に対処するための複合材料の大量リサイクル技術の開発。
  • より広範な構造的応用分野のためのマグネシウム合金の成形性の限界の克服。

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9. 著作権：

  • この資料は、「トマシュ・トシェピエチンスキとシェルワン・モハメド・ナジム」の論文：「自動車産業で使用される車体パネルおよび構造部材用金属材料の最新動向」に基づいています。
  • 論文ソース：https://doi.org/10.3390/ma17030590

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