機械材料
機械材料とは、機械構造物や装置などを構成するために使用される材料の総称である。使用目的の面から構造物に使用される材料、部品に使用される材料、工具に使用される材料などに大きく分かれる。また、成分の面からは、金属材料と非金属材料に大別され、金属材料は、鉄鋼材料や非鉄材料（銅、アルミニウム、ニッケルなど）、非金属材料は高分子材料、無機材料（セラミックス、ガラス）、複合材料（プラスチック）などに分類することができる。これらの材料は製品の性能、耐久性、安全性を左右する重要な要素であり、設計の目的や使用環境に応じて適切な機械材料を選択することが、機械の信頼性や効率を高める上で不可欠となる。（参考：機械材料の性質）
概念
一般的に機械材料には、力学的特性や熱的特性をはじめ、摩耗への耐性や化学的耐食性などが求められる。そのため、素材自体の物性だけでなく、製造段階や使用段階での加工性・組立性・保守の容易さといった要素も考慮される。素材選定にあたり、強度や硬度だけでなく、加工後の残留応力や延性といった要素が重要視される場合も多い。
歴史
18世紀にはじまった産業革命は、様々な機械を生み出した。機械を作る工作機、輸送機、電気機械、鉱山機械などであるが、機械材料は様々な機械の母体となり、機械的性質を決定づける要因のひとつである。したがって、機械の多種・多機能化や、厳しい機械性質や制度が求められるに従い、機械材料も多岐にわたるようになった。
機械材料の種類
- 鋼鉄材料: 鉄を主成分とし、炭素などを添加して特性を調整した素材である。一般的な機械部品や建築用部材として幅広く用いられる。
- 非鉄金属材料: アルミニウムや銅、マグネシウムなどの合金が代表的で、軽量化や電気特性が求められる分野で多用される。
- 樹脂材料: プラスチックの総称で、加工性や軽量性に優れる一方、高熱には弱い場合がある。家電や自動車内装などで活躍する。
- セラミックス: 耐熱性や硬度に優れ、半導体製造装置の部品や切削工具など、高耐久性が必要な分野で用いられる。
- 複合材料: 繊維強化プラスチック(FRP)など、複数の素材を組み合わせて高機能化を図る材料も重要である。
鉄鋼
鉄鋼は、強くて硬いものが多く、割れにくい。汎用性の高い素材で一般的に親しまれている。熱処理を加えればより硬く、より強くできる。しかし、錆びに弱く重量は重いため、軽量化には向いていない。その他の素材に比べて安価である。
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| SPCC | 冷間圧延鋼板 | 滑表面を持ち、酸化亜鉛めっきなどの表面処理がされている。 |
| SPHC | 熱間圧延鋼板 | 高温で柔軟に形成できる。溶接歪みが少ない。 |
| SS400 | 一般構造用圧延鋼材 | 低価格で経済性が良い。強度や高度に優れている。溶接性が良い。 |
| SS400D | ミガキ棒鋼 | 磨表面 |
| S25C | 機械構造用炭素鋼鋼材 | 焼入れ性がよく低価格。 |
| SGP | 配管用炭素鋼鋼管 | 腐食性に優れ、給水管、排水管、ガス管に用いる。 |
| STPG370 | 圧力配管用炭素鋼鋼管 | 耐圧性に優れいている。 |
| S45C | 機械構造用炭素鋼鋼材 | 調質性がよい。 |
| SWP-A | ピアノ線 | 耐食性に優れ、ばね性がよくばねに使われる。 |
合金鋼
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| SCM435 | クロムモリブデン鋼鋼材 | 高強度、疲労強度、溶接性がよい |
| SUJ2 | 高炭素クロム軸受鋼鋼材 | ベアリング に使われ、耐熱性、耐摩耗性、腐食抵抗性がよい |
| SK4 | 炭素工具鋼鋼材 | 高硬度で刃物などの工具用に使われる。 |
特殊鋼(ステンレス)
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| SUS316-WPA | ばね用ステンレス鋼線 | ばね性 |
| SUS303 | 18-8ステンレス鋼 | 加工性に優れ、非磁性をもつ |
| SUS304 | 18-8ステンレス鋼 | 耐錆性に優れ、非磁性をもつ |
| SUS316 | 17-12ステンレス鋼 | 耐食性・耐蝕性・高温耐性に優れている |
| SUS440C | 17Crステンレス鋼 | 強度磁化をもつ。耐熱性、切削性、耐食性、耐摩耗性に優れている。 |
| SUS410 | 13Crステンレス鋼 | 非磁性、耐食性、耐熱性をもつが、腐食性が弱い。 |
非鉄金属
非鉄金属は、アルミニウム、銅、ニッケル、マグネシウム、チタン、銅に代表され、加工性、入手性が良く、耐熱性、耐食性、流通性もよいため、機械設計において最もよく使用される。鉄鋼と比較して軽い。
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| AC3A | アルミ合金鋳物 | 軽量材 |
| CAC403 | 青銅鋳物 (砲金) | 導電性が高く、耐食性があり、機械的な強度も優れている |
| A1100 | 純アルミ | 軽量で加工しやすく、熱伝導性、電気伝導性が良い |
| A2017-T4 | アルミー般強力材 | 熱処理が可能。軽量で高強度・耐食性、熱伝導性が良い。 |
| A5052-H34 | アルミー般強力材 | 耐食板 |
| A7075-T6 | アルミー般強力材 | 軽量で加工しやすく、熱伝導性、電気伝導性が良い耐食性が優れている。 |
| C2801P | 黃銅板 | 良好な導電性、延伸性、可鍛性、抗菌性に優れている。 |
| C3604BD | 黄銅材 | 導電性、可鍛性がよく快削性に優れている。電子機器などで使用 |
鋳鉄
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| FC200 | ねずみ鋳鉄品 | 耐熱性、耐食性、硬度、切削加工性、非磁性をもつ。 |
| FCD600 | 球状黒鉛鋳鉄品 | 高い強度をもつ。鋳造性で様々な形状を作れる。 |
無機化学物
無機化学物は、セラミックスやガラスに代表され、硬くて熱に強いのが特徴である。急激な温度変化を与えるとヒートショックにより破損する。化学的に安定な材料なので、腐食や耐薬品性に優れる。それと同時に、電気や熱伝導性は悪い。硬度が高いため、割れやすく加工が難しいため、複雑な形状には向いていない。
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| グラナイト | 石定盤材 | 耐久性と耐摩耗性をもつ。白、灰色、ピンク、赤、黒の色がある。 |
| ジルコニア | セラミックス | 高高度、耐蝕性、絶縁性に優れている。透明性がある。 |
| アルミナ | セラミックス | 高高度、耐摩耗性、耐食性、高い融点をもつ。 |
| SIC | セラミックス | 高高度、耐摩耗性、耐食性、高い融点をもつ。 |
| 石英 | ガラス | 透明性、高い絶縁性、耐摩耗性、絶縁性をもつ。 |
有機化学物
有機化学物は、プラスチック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴムに代表され、軽くて変形しやすいものが多い。絶縁性がある。強度や耐熱性はあまり望めない。また、太陽光など紫外線にあて続けると劣化する。
樹脂
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| MC901 | MCナイロン | 耐熱性、耐摩耗性、化学耐性、電気絶縁性を持ち、自己潤滑 する。 |
| EP | エポキシ樹脂 | 耐化学薬品性、耐水性、絶縁性、優れた粘着性をもつ。 |
| PMMA | アクリル | 軽量で透明性を持つ。成形性がよくいろいろな形を持つ。 |
| PC | ポリカーボネート | 軽量で、耐水性、透明性、耐熱性、耐化学薬品性を持つ。 |
ゴム
| 記号 | 名称 | 特長 |
|---|---|---|
| NBR | ニトリルゴム | 耐油性、耐燃性、耐熱性、耐薬品性などの特徴を持つ |
| シリコンゴム | 耐油性、耐燃性、耐熱性、耐候性などの特徴を持つ | |
| バイトン（フッ素ゴム） | 耐熱性、、耐摩耗性、耐油性、耐薬品性、耐候性を持つ |
複合材料
複合材料とは、金属やプラスチック、セラミックスなど二種類以上の機械材料を組み合わせ、素材のもつそれぞれの特性を生かし単独では得られなかった機能、性能を持たせた材料である。板材・棒材・発泡材などを加工・変形し接着・溶接・圧延接合したもの等、さまざまなものがある。
- エンジニアリングプラスチック
- 繊維強化プラスチック（FRP）
- ガラス繊維
- 炭素繊維
- 繊維強化金属（FRM）
- 繊維強化セラミックス（FRC）
- 金属基複合材（MMC）
- 炭素繊維強化炭素複合材料（C/C）
機械材料の選定
あらゆる工業の基盤に用いられる機械や装置、またそれらによって製造される製品において、材料の特性を踏まえて慎重に選定していかなければあならない。日進月歩で素材の向上が行われているが、性能だけを求めてコスト高が問題になることもあり、慎重に選ばなければならない。
- 機械的特性（強度・剛性・弾性・じん性・重量・比強度・比剛性・摩耗性・寿命など）
- 電気的特性（電気伝導性・帯電性・磁性など）
- 熱特性（耐熱性・熱伝導性・断熱性・体積膨張性・変態点・寸法安定性（線膨張係数）など）
- 環境特性（耐熱性・耐寒性・耐腐食性・粉塵）
- 加工性（切削性・鋳造性・鍛造性、溶接性・接着性、表面処理性（めっき・塗装）など）
- コスト（素材自体の値段・加工費・品質安定性・入手性・標準性）
- 安全性
- 廃棄性（環境に有害でないか・リサイクルが可能か）
- その他（経年特性・磁化特性・反射/透過性・色・JISの対応）
機械材料の加工と処理
- 熱処理: 焼入れや焼き戻しなどを行い、強度や靱性を向上させる。
- 表面処理: 耐摩耗性や耐食性を高めるため、めっきやコーティングを施す。
- 塑性加工: 圧延や鍛造といった加工によって素材の内部組織を制御し、強度や延性を向上させる。
- 接合技術: 溶接や接着などにより、異なる素材同士を一体化させる。