知っておきたいJISから見た機械材料 〜鋼の種類と違い〜：若手エンジニアのための機械設計入門（11）（2/2 ページ）

3D CADが使えるからといって、必ずしも正しい設計ができるとは限らない。正しく設計するには、アナログ的な知識が不可欠だ。連載「若手エンジニアのための機械設計入門」では、入門者が押さえておくべき基礎知識を解説する。第11回は、前回の内容を踏まえながら、JISから見た機械材料、特に鋼の種類について取り上げる。

[土橋美博／スワニー，MONOist]

合金鋼

　炭素鋼の特性をさらに改善するために、Cr（クロム）、Mo（モリブデン）、Ni（ニッケル）などの合金元素を添加した材料です。これらの元素を加えることで、高温強度、焼入れ性、耐摩耗性、耐食性など、部品機能に直結する特性を向上できます。代表例としてSCM435やSCM440があり、ボルト、ギヤ、シャフトなど、高い応力を受ける部品に広く使用されます。

　炭素鋼（機械構造用炭素鋼）と合金鋼の主な特徴を表3にまとめました。設計では、必要になる強度レベル、耐摩耗性、熱処理の有無、使用環境（温度、腐食など）を踏まえ、どちらを選択すべきか判断します。特に、熱処理後に高い強度が必要な場合や、疲労負荷が繰り返し作用する部品では、合金鋼が選ばれることが一般的です。

項目	炭素鋼（Carbon Steel）	合金鋼（Alloy Steel）
定義	炭素鋼が主成分。合金元素は最小限	炭素鋼にCr、Mo、Ni、Vなどの合金元素を添加し特性を強化
主な目的	汎用強度／加工性／低コスト	高強度／高靭性／耐摩耗／耐熱／耐食性などの付与
熱処理	焼入れ効果は限定的（中程度）	熱処理効果が大きく性能が大幅に向上
強度	中程度	高強度で、疲労強度にも優れる
耐摩耗性	中	高い（合金種類による）
耐食性	低（さびやすい）	組成によっては改善可能
溶接性	比較的良い	ものによっては割れやすい
加工性	良好（扱いやすい）	硬くて難しいものも多い
コスト	安価	比較的高価
代表用途	フレーム、ブラケット、軸、一般機械構造	シャフト、ギヤ、ボルト、金型、工具、ベアリング
代表的な材料記号	SS400、S25C、S45C、S50C、SK4	SCM435、SCM440、SNCM439、SKD11、SKD61、SKH51、SUJ2
JIS参照	JIS G3101／4051／4401など	JIS G4105／4805など
表3　炭素鋼と合金鋼の比較

ステンレス鋼（SUS）

　ステンレスは耐食性を確保するためにCrを10.5％以上含む鋼で、JIS記号は「SUS」で始まります。代表例としてSUS304とSUS316が挙げられます。加工性は比較的良好ですが、切削加工時には加工硬化に注意が必要です。特にSUS304は加工硬化しやすいため、工具摩耗や加工負荷が増加しやすく、加工条件の最適化が求められます。また、強度要求が高い部品では、析出硬化系ステンレス（SUS630など）を選択することがあります。用途は食品機器、医療機器、化学プラント機器、海水環境向け設備など多岐にわたります。

	材料記号	用途	適用	磁性	焼入れ性	JIS
オーステナイト系	SUS303	防錆の必要な機械部品	18-8系快削ステンレス鋼／SUS304より切削性は良い	無※	無	JIS G 4303
オーステナイト系	SUS304	防錆の必要な機械部品	一般耐食鋼／耐熱鋼として最も汎用性が高い	無※	無
オーステナイト系	SUS316	防錆の必要な機械部品	SUS305よりも優れた耐海水性	無※	無
フェライト系	SUS430	厨房機器（内装）、家電、建築内装、IH底板	切削性が良好	有	有
マルテンサイト系	SUS440C	防錆の必要な機械部品（耐食性はオーステナイト系に比べて劣る）	焼入れ可能	有	有
マルテンサイト系	SUS410	防錆の必要な機械部品（耐食性はオーステナイト系に比べて劣る）	焼入れ可能、加工性が良好	有	有
表4　ステンレス鋼の分類（※加工により磁性を帯びることがある）

　「ステンレスはさびない金属では？」と設計初心者から聞かれることがありますが、正確には「さびにくい金属」です。ステンレスでも条件が悪ければ普通にさびます。ステンレスがさびにくいのは、材料中のクロム（Cr）が空気中の酸素と反応して、表面に非常に薄い保護膜（不動態皮膜）を形成するためです。この皮膜が鉄の酸化を防ぎ、さびの発生を抑えています。ただし、塩分や酸によって皮膜が壊れる、あるいは再生できない環境では、通常の鉄と同じようにさびてしまいます。

　また、「ステンレスは磁石にくっつかない金属では？」といわれることもありますが、こちらも正しくは「種類によって磁性があるものとないものがある」です。ステンレスにはオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系などの組織があり、これによって磁性の有無が決まります。例えば、SUS410やSUS440Cは磁石にくっつきますが、SUS304やSUS316は基本的には非磁性です。ただし、SUS304は切削、曲げ、溶接などの加工によって組織が部分的に変化し、磁性を帯びる場合があります。

　このように、ステンレス鋼は耐食性、強度、加工性、磁性など、性質が系統ごとに大きく異なる材料です。設計時には、使用環境（腐食、水分、薬品、温度）、必要強度、加工方法などを踏まえた適切な選定が必要です。

　機械材料にはアルミ合金や銅合金などもあり、さらに熱処理や表面処理の考慮も不可欠です。これらについては次回解説します。　（次回へ続く）

⇒ 連載バックナンバーはこちら

著者プロフィール

土橋美博（どばし よしひろ）

半導体組み立て関連装置メーカー、液晶パネル製造関連装置メーカーを経て、「メイドINジャパンを、再定義する。」有限会社スワニーに入社。CIOとして最新デジタルツールによるデジタルプロセスエンジニアリング推進に参画する。

ソリッドワークス・ジャパンユーザーグループ（SWJUG）、ワールドワイドのソリッドワークス・ユーザーグループネットワーク（SWUGN）のリーダーも務める。