機械設計において「材料選定」は、単なる素材の選び方ではありません。それは、製品の性能・寿命・安全性・コスト・加工性・環境対応など、すべてに関わる「設計の根幹」です。
例えば、軽量化が求められるドローンにステンレスを使えば飛行時間が短くなり、逆に高温・高圧環境でアルミを使えば破損のリスクが高まります。
つまり、材料の選定ミスは設計ミスに直結するのです。
1. アルミニウムの特性と使いどころ
基本物性
- 密度：2.7 g/cm³（鉄の約1/3）
- 引張強度：100〜600 MPa（合金による）
- 熱伝導率：高い（約200 W/mK）
- 耐食性：自然酸化皮膜により良好
主な合金種類
- A5052：耐食性・成形性に優れ、板金加工に最適
- A6061：強度と溶接性のバランスが良く、構造材に多用
- A7075：高強度アルミ、航空機部品に使用
適した用途
- 軽量化が重要な製品（ドローン、EV車、ロボットアーム）
- 熱放散が必要な部品（ヒートシンク、筐体）
- 屋外使用だが腐食に弱い環境（看板、外装）
注意点
- 高温環境（100℃以上）では強度が低下
- 表面硬度が低く、摩耗しやすい
- 溶接時に割れやすい合金もある（特にA7075）
2. ステンレス鋼の特性と使いどころ
基本物性
- 密度：7.9 g/cm³（重い）
- 引張強度：400〜1000 MPa（種類による）
- 耐食性：クロム含有により非常に高い
- 耐熱性：高温環境でも安定（800℃以上）
主な種類
- SUS304：最も一般的。耐食性・加工性に優れる
- SUS316：モリブデン含有で耐塩性が高く、海洋環境に適する
- SUS430：磁性あり。コスト重視の用途に使われる
適した用途
- 高温・高圧環境（ボイラー、配管、熱交換器）
- 食品・医療分野（衛生性が求められる機器）
- 屋外構造材（橋梁、建築外装）
注意点
- 重量があるため、可動部には不向き
- 加工が難しく、切削工具の摩耗が早い
- コストが高く、量産品には不利な場合も
3. 実務での選定基準：どう選ぶべきか？
3.1. 使用環境
| 条件 | 推奨材料 |
|---|---|
| 高温・高圧 | ステンレス（SUS316など） |
| 屋外・腐食性環境 | アルミ（A5052）またはステンレス |
| 海水・塩害地域 | SUS316（耐塩性） |
3.2. 機能要求
| 要求 | 推奨材料 |
|---|---|
| 軽量化 | アルミ（A6061, A7075） |
| 高強度 | ステンレス（SUS304, SUS630） |
| 熱伝導 | アルミ（ヒートシンク用途） |
3.3. 加工方法
| 加工 | 備考 |
|---|---|
| 切削加工 | アルミは工具寿命が長く、加工性良好 |
| 溶接 | SUS304は溶接性良好、A7075は不向き |
| 表面処理 | アルミはアルマイト処理が可能、ステンレスは鏡面仕上げなど |
4. 適材適所の考え方とは？
「適材適所」とは、材料の特性を理解し、用途に応じて最適な素材を選ぶ設計思想です。
単に「強い材料」や「安い材料」を選ぶのではなく、以下のようなバランス感覚が求められます。
- 強度 vs 重量
- 耐食性 vs コスト
- 加工性 vs 精度
- 外観 vs 機能性
例えば、屋外の看板フレームには「A6061アルミ」が適していますが、海辺の橋梁には「SUS316ステンレス」が必要です。
このように、設計者は材料の「性格」を理解し、最適な「役割」を与えることが重要です。
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