プロジェクトに最適な板金材料を選ぶためのガイド

製品設計における板金材料の選択は、板金部品の設計、製造プロセス、コスト、そして性能に影響を与えます。この記事では、板金加工に使用される様々な材料について、それぞれの特性、利点、そして用途に焦点を当てて詳細に解説します。

板金材料の選択に影響を与える要因

板金材料の選定は反復的なプロセスです。材料選定後は、製品設計要件に従って検証および試験を行う必要があります。

地球上には様々な材料が存在し、それぞれの材料には長所、限界、そして適用範囲があります。製品の機能的・美的要件、そしてコストは、板金材料の選択に影響を与えます。板金の厚さと材料の種類を選択する際には、以下の要素を考慮する必要があります。

板金加工技術における材料の影響

板金加工には、 打ち抜き加工、曲げ加工、引張加工の3つの主要な種類があります。加工技術によって板材への要求は異なります。板材の選定にあたっては、製品の概略形状と加工技術を考慮した板材選定も重要です。

パンチング加工における材料の影響

打ち抜き加工では、板材が十分な可塑性を有し、打ち抜き加工中に割れが生じないことが求められます。軟質材料（純アルミニウム、防錆アルミニウム、真鍮、銅、低炭素鋼など）は打ち抜き加工性に優れ、打ち抜き加工後には滑らかな断面と小さな傾斜を持つ部品が得られます。

硬質材料（高炭素鋼、ステンレス鋼、硬質アルミニウム、超硬質アルミニウムなど）は、打ち抜き後の品質が悪く、断面が不均一になります。特に厚板の場合、その傾向が顕著です。脆性材料の場合、打ち抜き後に裂けが生じやすく、特に幅が狭い場合はその傾向が顕著です。

曲げ加工における材料の影響

曲げ加工する板材は、十分な塑性と低い降伏限界を持つ必要があります。塑性が高い板材は、曲げ加工時に割れにくいです。降伏限界と弾性係数が低い板材は、曲げ加工後の反発変形が小さく、正確な寸法の曲げ形状を得やすいです。低炭素鋼、真鍮、炭素含有量が0.2％未満のアルミニウムなど、塑性性に優れた材料は、曲げ加工や成形が容易です。リン青銅（QSn6.5〜2.5）、バネ鋼（65Mn）、硬質アルミニウム、超硬質アルミニウムなど、脆性が高い材料は、曲げ加工時に相対曲げ半径（r/t）を大きくする必要があります。そうでないと、曲げ加工中に割れやすくなります。

材料の硬さと軟さの選択には特に注意が必要です。これは曲げ性能に大きな影響を与えます。多くの脆性材料では、曲げ加工により外角部に割れが生じたり、曲げ破壊に至ることもあります。また、炭素含有量の高い一部の鋼板では、硬さを選択すると曲げ加工により外角部に割れが生じたり、曲げ破壊に至ることもあります。これらの現象は可能な限り避けるべきです。

ストレッチ加工における材料の影響

板の延伸加工、特に深延伸加工は、板金加工の中でも難しい工程の一つです。延伸深さをできるだけ浅く、形状をできるだけ単純化し、滑らかな遷移に移行するだけでなく、材料の塑性も重要です。そうでないと、部品全体の歪みや変形、局所的なしわ、さらには延伸部分の割れが発生しやすくなります。降伏限界は低く、板厚方向性係数は大きいです。板材の降伏強度比σs/σbが小さいほど、スタンピング性能が向上し、一度の変形の限界が大きくなります。板厚方向性係数が1より大きい場合、幅方向の変形は厚さ方向の変形よりも容易です。引張フィレットのR値が大きいほど、延伸工程で薄肉化や破損が生じにくく、引張性能が向上します。

引張特性に優れた一般的な材料は、 アルミニウムシート、08Al、ST16、SPCDです。

板金材料の選択例1

例えば、ある用途に1mm厚のGI鋼板を選定した場合、材料選定後は構造設計計算と構造シミュレーションを実施し、その材料の妥当性を検証する必要があります。検証結果が許容範囲内であれば、その材料の使用を検討できます。

しかし、部品の重量が許容限度を超える場合は、次のステップとして、より重量強度の高い代替材料（アルミニウム、ステンレス鋼、チタンなど）を探します。その後、新たに選択した材料で検証試験を実施する必要があります。

検証試験結果と材料費が許容範囲内であれば、材料を選定することができます。

板金材料の選択例2

例えば、GI鋼材を選択したにもかかわらず、検証試験で塩水噴霧試験に不合格になった場合、耐食性が高い別の材料（アルミニウム亜鉛合金、亜鉛めっき亜鉛、または鋼）を選択するか、表面処理を変更することができます。

板金加工でよく使用される金属

板金加工においては、様々な金属がそれぞれの特性に応じて、様々な用途に適しています。アルミニウム、軟鋼、ステンレス鋼、炭素鋼、そして様々な金属合金が、この用途に最も一般的に使用される材料です。軟鋼は溶接性とコスト効率の高さから選ばれることが多く、建設・製造業において好まれる材料となっています。軽量構造や耐食性が求められる用途では、一般的にアルミニウムが好まれます。亜鉛メッキ鋼は、耐食性を高めるため、屋外で使用されることが多いです。厨房機器など、高い衛生基準が求められる機器にはステンレス鋼が使用され、高い導電性が求められる電気筐体や電線には銅が広く使用されています。これらの金属の特性を理解することで、製造現場において適切な材料選定を行うことができます。

以下は業界で一般的に使用されている板金材料の一部です。

1. 冷間圧延鋼板

2. 溶融亜鉛めっき鋼板

3. ステンレス鋼

4. アルミニウムおよびアルミニウム合金

5. 銅および銅合金

さまざまな板金パネルの性能比較

板金材料の比較：長所と短所

板金材料を評価する際には、プロジェクトのニーズに基づいて十分な情報に基づいた選択を行うために、それぞれの利点と欠点を考慮することが重要です。

冷間圧延鋼板

一般的な炭素構造用鋼の熱間圧延帯鋼を冷間圧延し、厚さ4mm未満に製造された鋼板です。常温圧延のため酸化鉄スケールが発生しないため、良好な表面品質と高い寸法精度を有しています。さらに、焼鈍処理後、家電製品の製造分野で広く使用されています。適用鋼種：Q195、Q215、Q235、Q275

利点: 非常に強くて耐久性があり、さまざまなグレードが用意されており、価格が安い。

デメリット: コーティングなしでは錆びやすい、他のオプションよりも重い。

溶融亜鉛めっき鋼板

溶融亜鉛めっき鋼板は、鉄亜鉛合金と純亜鉛めっきを施した冷間圧延鋼板で、厚さは0.25～2.5mmです。亜鉛めっき鋼板は、特に湿度の高い環境下において、亜鉛保護膜によって母材を腐食性物質から効果的に保護する低コストのソリューションです。溶融亜鉛めっき鋼板は、未処理の炭素鋼板よりも長寿命です。

利点: 耐腐食性が強く、亜鉛コーティングにより下地の鋼を腐食から保護します。

デメリット: 外観がステンレス鋼ほど滑らかではない場合があります

電気亜鉛メッキ鋼板

電気亜鉛メッキ鋼板、または「電解鋼板」とは、電気亜鉛メッキライン上の電界の作用下で、亜鉛塩の水溶液から予め準備された鋼板上に亜鉛を連続的に堆積させるプロセスを指します。

利点: 高い耐腐食性と強度、亜鉛コーティングにより長年の耐候性保護を実現

デメリット：亜鉛メッキ工程のため、亜鉛メッキ鋼の初期費用が高くなる可能性がある

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、間違いなく最高の板金素材です。耐久性と美しさを兼ね備え、市場で最高の材料の一つに数えられています。ステンレス鋼は、13%のクロム、ニッケル、モリブデンを含みます。SS-304、SS-304-L、SS-304-H、SS-316など、多くの種類があります。それぞれに固有の特性があり、さまざまな用途に適しています。

利点: 耐腐食性と強度が衛生基準を満たし、美しい表面が審美的価値を高めます。

デメリット: 靭性が高いものは通常より高価であり、さまざまなグレードを使い分けることが難しいため、選択する際に混乱が生じます。

アルミニウムおよびアルミニウム合金

一般的に使用されるアルミニウムおよびアルミニウム合金板には、主に防錆アルミニウム 3A21、防錆アルミニウム 5A02、硬質アルミニウム 2A06 の 3 種類があります。

利点: 軽量、優れた耐腐食性、良好な熱伝導性、製造の容易さはすべて金属板設計の重要な特性です。

デメリット: 鋼鉄よりも強度が低く、コストが高く、構造用途に追加のサポートが必要になる場合があります。

真鍮および真鍮合金

高亜鉛黄銅である黄銅H62は、強度が高く、冷間・熱間加工性に優れており、各種プレス加工や切削加工に使いやすい材質です。

利点: 電気と熱の伝導性に優れ、錆も防止します。

デメリット: 鋼鉄ほど強くなく、より純粋な形態はより高価なため、特に建物に高いストレスがかかることが予想される建設現場では、あまり人気がありません。

要約すれば

板金材料には様々な種類があり、最終的な材料の選択は製品の機能要件とコスト制約によって異なります。 このリンクをクリックすると、様々な板金設計ガイドラインをご覧いただけます。

板金材料の詳細については、今後も更新していきますので、板金材料選びに関するご意見・ご質問はコメント欄にご記入ください。

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よくある質問（FAQ）

Q: 板金加工ではどのような材料が一般的に使用されますか?

A: この目的に最も一般的に使用される材料は、アルミニウム、軟鋼、ステンレス鋼、炭素鋼、そして様々な金属合金です。これらの材料は、強度や耐食性などの特性に基づいて選択されます。

Q: プロジェクトに適した板金を選択するにはどうすればよいですか?

A: 板金材を選ぶ際には、必要な強度、加工性、耐食性、価格といった要素を考慮する必要があります。また、具体的な用途や環境条件も選択に大きな影響を与えます。

Q: 鋼板の標準サイズはどれくらいですか?

A: 標準サイズは、金属加工工程の使い勝手を左右するものです。一般的に広く採用されているサイズとしては、36 x 96インチ、48 x 120インチ、60 x 144インチなどが挙げられますが、これらに限定されるものではありません。これらの材料を専門とするメーカーにカスタムサイズをご注文いただくことも可能です。

Q: 冷間圧延鋼はいつ使用すればよいですか?

A：冷間圧延鋼板とは、硬度や強度を失わないように常温で圧延された鋼板のことです。この鋼板は、自動車用電装部品など、高精度の寸法公差、滑らかな表面仕上げ、優れた機械的特性が求められる分野で広く使用されています。また、切断加工も必要です。

Q: アルミニウム板が多くの業界で人気があるのはなぜですか?

A: この材料は軽量、高強度、優れた耐腐食性、製造工程での取り扱いの容易さから、航空宇宙および自動車製造分野でよく使用されています。

Q: 板金製造の品質を決定する要因は何ですか?

A: 金属の種類、切断精度（レーザー切断など）、板金メーカーが使用する成形プロセスの専門知識が品質に大きく影響します。

Q: 板金の材料選択に厚さはどのように影響しますか?

A: 板金成形工程では、用途に応じて厚さが材料の選択に影響します。高い強度が求められる構造部品には厚い金属が使用されることが多い一方、成形が容易な柔軟性が求められる用途では薄い金属が求められる場合があります。

Q: 金属板上の亜鉛コーティングはどのような役割を果たしますか?

A: 鋼板に亜鉛コーティングを施すと、特に湿気によって酸化が促進される場合でも錆びを防ぐことができます。

Q: 板金を使用するプロジェクトで異なる種類の合金を混合できますか?

A: はい、溶接や締結では、1つのワークピースに異なる合金を混在させることができます。例えば、ステンレス鋼とアルミニウムは特性や耐性が異なるため、併用することも可能です。

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