人と地球を救う鉄 「超ハイテン」

~クルマの環境対策と安全性向上~


国際環境経済研究所理事、東京大学客員准教授

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(「月刊ビジネスアイ エネコ」2016年7月号からの転載)

 ボディ用鋼板からボルトまでクルマの重量の約70%を占める鉄。通常の鉄より“強くて軽量”の特殊な鋼材「超ハイテン」が、クルマの骨格ボディに採用され、注目されています。今回は「超ハイテン」の可能性を探ります。

軟らかくて強い鉄への挑戦

 「ハイテン」とは高張力鋼板の略称です。引っ張り強度(金属などが一定方向に引っ張られたときに、断裂せずに耐える限界の強度)の保証値が、340MPa(メガパスカル)以上780MPaまでを「ハイテン」、980MPa以上のものを「超ハイテン」と呼んでいます。ハイテンは、クルマの外板パネル類(370 ~440MPa)、足回り類(~780MPa)、構造・骨格部品(590MPa~)などに用いられ、ハイテンが車体に占める割合は40%超になります(図1)。  

図1 ハイテンの車体への使用例 出所:新日鐵住金

図1 ハイテンの車体への使用例
出所:新日鐵住金

 これまでの開発経緯について、新日鐵住金技術開発本部鉄鋼研究所薄板研究部の上席主幹研究員、上西朗弘氏と、同社自動車鋼板営業部自動車鋼板商品技術室長の水口俊直氏にうかがいました。
 「1980年代以降、地球温暖化対策としてのCO2排出削減や、燃費向上による省エネルギー、衝突安全性へのさらなる対応が必要になりました。自動車用鋼板は従来からの成形性の良さに加えて、強くて軽い特性が求められるようになったため、2000年前後からハイテンの開発を加速させました」(上西氏)

進化する新日鐵住金の「ハイテン」

進化する新日鐵住金の「ハイテン」

 「見た目にはわかりませんが、クルマの部位ごとに強度の異なるハイテンを適材適所に使っています。骨格ボディは、衝突時の乗員保護のため、超ハイテンが使われています。最新の超ハイテンの引っ張り強さは通常の鉄の3倍以上です。軽量化しながら強度を維持できる優れた鋼材です」(水口氏)
 超ハイテンの製造で苦労した点は、強度を上げると素材が伸びにくくなり、プレス加工時に割れが発生したり、プレス後に望む形状が維持できなくなり加工性が悪くなってしまったりすることでした。しかし、「高い強度」と「良加工性」の相反する特性の両立を実現するため、同社は技術開発に取り組みました。

 水口氏は「鉄の魅力は、高温から冷やし方や熱処理の仕方で、さまざまなパフォーマンスの鉄がつくれることです。温度制御だけで、多様な材質を変幻自在に生み出すことができます。超ハイテンは成分の調整と冷却の工夫により実現できました」と説明します。
 これまで980MPa級ハイテンの適用が限界でしたが、同社は、この壁を越えて1.2GPa(ギガパスカル)級の「高成形性超ハイテン」を開発し、2013年に世界で初めて日本の自動車メーカーによって採用されました(図2)。

図2 高成形性超ハイテンの特徴 出所:新日鐵住金

図2 高成形性超ハイテンの特徴
出所:新日鐵住金

 国家プロジェクトの「経済産業省未来開拓プロジェクト」(2013~23年)の「革新的新構造材料等研究会」では、鋼材、アルミニウム材、炭素繊維などの構造材料の高強度化に関わる技術開発を推進し、機能性の高い鋼板を開発することが大きな柱の1つになっています。現在、日本の鉄鋼メーカーは当初の予定より前倒しで2017年にも世界最高水準の1.5GPa級の高機能超ハイテンの実現をめざしています。

CO2排出削減効果とコストの安さ

 新日鐵住金の上西、水口両氏にハイテンのコスト面や環境面についてうかがいました。 
 「鉄と大根では1㎏あたりどちらが安いと思いますか?大根は季節により100~200円の価格帯なのに対し、鉄は100円程度です。天然資源の鉄鉱石はどこにでも存在し、枯渇の心配もありません。鉄はコストが安く、生産性が高い上、プレス性、溶接性塗装性に優れています。大量生産できるからこそ高い機能が低コストで得られます」(上西氏)

―― 環境面のメリットは? 

 「車体のハイテン使用比率が現在の平均40%から60%まで高まると、燃費は約4%向上し、日本全体で約5600万ギガカロリーのエネルギーが節約できます。これは、ガソリン220万kℓ分に相当します」(水口氏)
 「鉄鋼製造時のエネルギーは、溶かして固めるまでのエネルギーがほとんどを占めます。成分調整と冷却を工夫してつくるハイテンの製造エネルギーは、一般鋼板に比べてわずか0.4~0.5%の増加ですみます。鉄の使用量が減ることによる製造時のCO2排出量の削減効果も得られます」(上西氏)
 このほか、車体軽量化により走行時のCO2排出削減もできます。また、廃車になった後は、鉄はスクラップとして分別回収でき、製鉄所で新しい鉄鋼製品として再生されるリサイクルルートが確立され、何度でもリサイクルできるのも強みです。素材の製造から廃棄までのライフサイクルにおいても、ハイテンは環境に配慮したクルマづくりに貢献しています。

図3 ハイテンはライフサイクルを通じてクルマづくりの環境負荷を低減 出所:新日鐵住金

図3 ハイテンはライフサイクルを通じてクルマづくりの環境負荷を低減
出所:新日鐵住

今後の展望

 超ハイテンの大きなメリットは衝突安全性が高まったことです。上西氏は「超ハイテンを適用したクルマは軽量で高い安全性が得られます。安全性を向上するさまざまな取り組みが功を奏して20年前に1万人だった交通事故による死者数は、直近の調査では半分以下になっていると思います。衝突の際、明らかに潰れ方が変わっています。人がいるところは強度が高い超ハイテンや高機能ハイテンで守られ、ドア回りやキャビンは潰れにくくなりました」と解説します。
 「現在実用化されている最強度の鋼材は明石海峡大橋の3500MPa(3. 5GPa)です。鉄のポテンシャルは10GPaと言われていますので、超ハイテンは理論上、強度をもっと高められます」(上西氏)

―― 超ハイテンの今後の展望は?

 「日系自動車メーカーは、海外生産シフトを進めており、海外生産比率は60%を越えてさらに上昇する見込みです、高成形性超ハイテンを日本だけでなく、海外でも供給できる体制が求められています。当社では、米国アラバマ州の合弁工場カルバート社で高成形性超ハイテンの生産体制を2016年末めどに整え、現地に展開する日系をはじめとする自動車メーカー各社に売り込む計画です」(水口氏)
 環境にやさしく命も守る超ハイテンは、日本のものづくりの強みを活かせる素材です。鉄の無限の可能性に期待したいです。