機械設計の基礎知識|材料選定の基本|アルミかステンレスか 適材適所の考え方

ニュース 9月 5, 2025

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。

なぜ材料選定が重要なのか

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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