1. 鉄鋼材料の基本概念

鉄鋼材料は、機械設計において最も広く使用される材料群の一つである。
機械のフレーム、ベース、シャフト、ギア、ピン、ブラケット、刃物、金型、摩耗部品など、多くの主要部品に使用される。

鉄鋼材料が広く使用される理由は次のとおりである。

• コストに対する強度が優れている。

• 切削、溶接、曲げ、熱処理など、さまざまな加工が可能である。

• 標準規格と供給体制が整っている。

• 強度、硬度、靭性、耐摩耗性を熱処理によって調整できる。

• 表面処理と組み合わせることで、耐食性、耐摩耗性、疲労強度を改善できる。

ただし、すべての鉄鋼材料が同じ用途に使用されるわけではない。
機械設計では、部品の機能、荷重条件、摩擦条件、加工方法、熱処理の有無、コストを基準にして、適切な鉄鋼材料を選定する必要がある。

2. 鉄鋼材料の主な分類

機械設計でよく使用される鉄鋼材料は、大きく次のように分類できる。

1. 一般構造用鋼
   フレーム、ベース、ブラケット、溶接構造物など、一般構造部に使用される。

2. 炭素鋼
   シャフト、ピン、ローラー、カム、一般的な機械要素部品に使用される。

3. 合金鋼
   高荷重シャフト、ギア、スピンドル、動力伝達部品、高強度締結部品に使用される。

4. 工具鋼
   刃物、金型、パンチ、ダイ、摩耗プレート、高硬度部品に使用される。

これら四つの材料群はいずれも鉄を基礎とする材料であるが、炭素含有量、合金元素、熱処理性、強度・硬度レベル、適用部品がそれぞれ異なる。

3. 一般構造用鋼

3.1 一般構造用鋼の定義

一般構造用鋼は、特別な高強度や高硬度よりも、構造物の製作に必要な基本強度、溶接性、曲げ加工性、加工性、経済性を重視する鋼材である。

機械設計では、フレーム、ベース、ブラケット、支持台、溶接構造物のように、機械全体の構造を支える部品に多く使用される。

代表的な材料は次のとおりである。

• SS400

• S235

• S275

• S355

• ASTM A36

• SM400

• SM490

3.2 一般構造用鋼の主な特徴

一般構造用鋼の最大の長所は、コストに対する構造性能が良い点である。

主な特徴は次のとおりである。

• 材料価格が比較的安い。

• 板材、形鋼、丸棒、角材など、さまざまな形状で供給される。

• 切断、溶接、曲げ、穴あけ、フライス加工がしやすい。

• 溶接構造物に適している。

• 大型フレームやベース構造の製作に有利である。

• 熱処理によって高い硬度を得る用途には適さない。

• 腐食に弱いため、塗装、めっき、防錆処理が必要である。

一般構造用鋼は「高性能材料」というよりも、「機械構造を経済的に構成するための基本材料」と理解するのがよい。

3.3 代表材料別の特徴

3.3.1 SS400

SS400は、韓国および日本の機械設計現場で非常に一般的に使用される一般構造用鋼である。

主な特徴：

• 価格が安い。

• 入手しやすい。

• 溶接性が良い。

• 切削加工がしやすい。

• 一般フレーム、ブラケット、ベース製作に適している。

主な用途：

• 機械フレーム

• 溶接ベース

• 一般ブラケット

• カバー支持部

• 装置架台

• 非精密構造部品

設計上の注意点：

• 強度基準が厳しい部品では、別途検討が必要である。

• 高荷重シャフト、ギア、ピンには適さない。

• 腐食環境では必ず表面処理が必要である。

• 食品機械の食品接触部には、一般的に使用しない。

3.3.2 S355 / SM490 系

S355またはSM490系は、SS400より高い強度が必要な構造物に使用される。

主な特徴：

• SS400より降伏強さが高い。

• 大型構造物、中荷重フレームに適している。

• 溶接構造物に使用できる。

• フレームの板厚を抑えたり、構造剛性を確保したりする場合に有利である。

主な用途：

• 中荷重機械フレーム

• 大型ベース

• リフティング装置の構造部

• 比較的大きな荷重を受けるブラケット

• 産業設備構造物

設計上の注意点：

• 溶接条件と溶接後の変形を考慮する必要がある。

• 板厚が厚くなるほど、溶接部の品質管理が重要になる。

• 加工性とコストは、SS400よりやや不利になる場合がある。

3.4 一般構造用鋼の主な適用部品

一般構造用鋼は、次のような部品に適している。

フレーム

フレームは機械全体の骨格を構成する部品である。
荷重を広い範囲に分散させ、各モジュールを固定する基準構造として機能する。

適用材料：

• SS400

• S355

• SM490

適用理由：

• 溶接性が良い。

• 材料費が低い。

• 大型構造物を経済的に製作できる。

• 後加工や塗装がしやすい。

ベースプレート

ベースプレートは、装置を支持し、モーター、減速機、ベアリングユニット、ガイドなどを固定する基礎部品である。

適用材料：

• SS400

• S355

適用理由：

• 厚板の入手が容易である。

• フライス加工、穴あけ、タップ加工が可能である。

• コストに対する剛性が良い。

設計上の注意点：

• 精度が必要な場合は、溶接後の応力除去と面加工が必要になることがある。

• 塗装前の錆取りと表面処理準備が重要である。

ブラケット

ブラケットは、センサー、カバー、モーター、シリンダー、ガイドなどを固定する部品である。

適用材料：

• SS400

• SPHC

• S45C

• STS304

一般構造用鋼を使用する場合：

• 荷重が大きくない一般固定用ブラケット

• 塗装が可能な非食品接触部

• コストを抑えたい構造部品

設計上の注意点：

• 食品機械で洗浄水にさらされる位置であれば、STS304を優先して検討する。

• 薄い板金ブラケットでは、曲げ剛性を考慮する必要がある。

3.5 一般構造用鋼の長所と限界

長所：

• 安価である。

• 入手しやすい。

• 溶接性が良い。

• 大型構造物の製作に有利である。

• 加工や修正がしやすい。

• 塗装、めっきなどの表面処理を適用しやすい。

限界：

• 耐食性が低い。

• 熱処理によって高い硬度を得ることは難しい。

• 高精度、高摩耗、高荷重の機械要素には適さない。

• 表面処理が損傷すると錆が発生する。

• 衛生性が重要な食品接触部には適さない。

4. 炭素鋼

4.1 炭素鋼の定義

炭素鋼は、鉄と炭素を主成分とする鋼材である。
一般構造用鋼よりも、機械部品としての強度や熱処理性が重要視される。

炭素含有量により、次のように分類できる。

• 低炭素鋼

• 中炭素鋼

• 高炭素鋼

機械設計で最も多く使用されるのは中炭素鋼であり、代表例としてS45Cがある。

4.2 炭素鋼の主な特徴

炭素鋼は、構造用鋼よりも強度と硬度を確保しやすく、熱処理によって機械的性質を調整できる。

主な特徴：

• 一般構造用鋼より強度が高い。

• 熱処理によって硬度と耐摩耗性を向上できる。

• シャフト、ピン、ローラー、カムなどの機械要素部品に適している。

• 切削加工性が比較的良い。

• 合金鋼より価格が低い。

• 耐食性は低い。

• 炭素含有量が高くなるほど溶接性は低下する。

4.3 代表的な炭素鋼材料

4.3.1 S45C

S45Cは、機械設計で最も広く使用される中炭素鋼である。
一般構造部よりもやや高い強度と耐摩耗性が必要な部品に使用される。

主な特徴：

• 強度と加工性のバランスが良い。

• 熱処理後に硬度を向上できる。

• シャフト、ピン、ローラー、カムなどに適している。

• 入手しやすく、価格も比較的合理的である。

主な用途：

• 一般シャフト

• ピン

• ローラー

• スペーサー

• カム

• ギア素材

• 治具部品

• 回転部品

• 機械加工部品

設計上の注意点：

• 腐食環境では表面処理が必要である。

• 高荷重ギアには、SCM系合金鋼の方が適している場合がある。

• 溶接構造物には適さない場合が多い。

• 熱処理後に変形が発生する可能性がある。

• 精密部品では、熱処理後の研削加工を考慮する必要がある。

4.3.2 S50C

S50Cは、S45Cより炭素含有量がやや高く、より高い硬度と強度を期待できる材料である。

主な特徴：

• S45Cより硬度を確保しやすい。

• 熱処理後に耐摩耗性が向上する。

• 金型ベース、プレート、機械部品に使用される。

主な用途：

• プレート

• 金型ベース

• 摩耗を受ける機械部品

• 高強度治具

• カム部品

設計上の注意点：

• S45Cより加工性と溶接性はやや不利である。

• 熱処理変形を考慮する必要がある。

• 衝撃が大きい部品では、靭性の検討が必要である。

4.4 炭素鋼の熱処理

炭素鋼は、熱処理によって性能を調整できる。
機械設計で主に考慮する熱処理は次のとおりである。

焼入れ

材料を高温に加熱した後、急冷して硬度を高める処理である。

目的：

• 硬度向上

• 耐摩耗性向上

• 表面損傷抵抗性の向上

設計上の注意点：

• 変形や割れが発生する可能性がある。

• 後続の焼戻し処理が必要である。

• 精密部品では熱処理後に研削が必要になることがある。

焼戻し

焼入れ後、材料の脆さを低減し、靭性を回復させるための処理である。

目的：

• 脆性低減

• 靭性向上

• 内部応力の緩和

• 機械的性質の安定化

設計上の注意点：

• 焼戻し温度によって、硬度と靭性のバランスが変わる。

• 高すぎる温度で焼戻しを行うと、硬度が低下する場合がある。

高周波焼入れ

表面だけを急速に加熱・冷却して、表面硬度を高める処理である。

目的：

• 表面耐摩耗性の向上

• 内部靭性の維持

• シャフト、ピン、ローラー表面の強化

主な適用部品：

• シャフト

• ピン

• ローラー

• カム

• 摺動接触部

設計上の注意点：

• 硬化深さを設計条件に合わせて指定する必要がある。

• 熱処理後の変形可能性を考慮する必要がある。

• 接触面だけを選択的に硬化できる。

4.5 炭素鋼の主な適用部品

一般シャフト

S45Cは、一般シャフトに非常に多く使用される。

適用理由：

• ねじり強度を確保できる。

• 切削加工がしやすい。

• キー溝、ねじ、段付き形状の加工が可能である。

• 必要に応じて高周波焼入れにより表面硬度を高められる。

設計上の注意点：

• 腐食環境では、めっき、黒染め、防錆油処理が必要である。

• 食品機械で露出するシャフトであれば、STS304またはSTS420を検討する必要がある。

ピン

ピンは、せん断荷重、摩耗、繰返し衝撃を受けることがある。

適用材料：

• S45C

• SCM440

• SUJ2

• STS420

S45Cを適用する理由：

• コストに対する強度が良い。

• 熱処理により表面硬度を確保できる。

• 一般的なヒンジピンや位置決めピンに適している。

設計上の注意点：

• 高荷重または繰返し衝撃が大きい場合は、SCM440を検討する。

• 精密位置決め用途では、研削加工と表面硬度が重要である。

ローラー

ローラーは、回転、接触、摩耗条件を同時に受ける部品である。

適用材料：

• S45C

• SCM440

• STS304

• ウレタンコーティング

• ゴムライニング

S45Cを適用する理由：

• 切削加工がしやすい。

• 高周波焼入れにより表面摩耗を低減できる。

• 一般搬送ローラーに適している。

設計上の注意点：

• 食品搬送ローラーでは、STS304または食品用コーティングを検討する。

• 摩擦条件に応じて、表面粗さと硬度を指定する必要がある。

4.6 炭素鋼の長所と限界

長所：

• 一般構造用鋼より強度が高い。

• 熱処理によって硬度と耐摩耗性を高められる。

• 切削加工性が良い。

• 合金鋼より価格が低い。

• 機械要素部品に適用しやすい。

限界：

• 耐食性が低い。

• 溶接性は良くない場合が多い。

• 高荷重、高疲労部品には合金鋼の方が適している場合がある。

• 熱処理後に変形が発生する可能性がある。

• 食品接触部への使用は限定的にすべきである。

5. 合金鋼

5.1 合金鋼の定義

合金鋼は、鉄と炭素に加えて、クロム、モリブデン、ニッケル、マンガンなどの合金元素を添加した鋼材である。
一般炭素鋼よりも、強度、靭性、疲労強度、耐摩耗性、熱処理性に優れている。

機械設計では、高荷重、高速回転、繰返し荷重、衝撃、摩耗が発生する重要な機械要素に使用される。

代表材料：

• SCM415

• SCM420

• SCM435

• SCM440

• SNCM220

• SNCM439

5.2 合金鋼の主な特徴

合金鋼は、一般炭素鋼よりも高いレベルで機械的性能を設計できる。

主な特徴：

• 高強度部品に適している。

• 熱処理後に高い強度と硬度を得られる。

• 疲労強度に優れている。

• 衝撃と繰返し荷重に強い。

• ギア、シャフト、スピンドル、ボルト、動力伝達部品に適している。

• 炭素鋼より価格が高い。

• 熱処理条件と後加工管理が重要である。

合金鋼は、単に「強い鋼材」と理解するべきではない。
適切な熱処理と組み合わせることで、設計性能を最大化できる材料である。

5.3 代表的な合金鋼材料

5.3.1 SCM415 / SCM420

SCM415およびSCM420は、浸炭処理に多く使用されるクロムモリブデン鋼である。

主な特徴：

• 浸炭処理に適している。

• 表面は硬く、内部は粘り強い構造を作ることができる。

• ギア、カム、ピン、スプロケットに適している。

• 表面耐摩耗性と内部靭性を同時に確保できる。

主な用途：

• ギア

• スプロケット

• カム

• 動力伝達部品

• 摩耗ピン

• ギアシャフト

• 減速機部品

設計上の注意点：

• 浸炭深さを指定する必要がある。

• 熱処理後に変形が発生する可能性がある。

• 歯車部品では、熱処理後の研削または仕上げ加工を検討する必要がある。

• 単純な構造部品に使用するには、コストが過剰になる場合がある。

5.3.2 SCM440

SCM440は、高強度シャフト、ボルト、ピン、スピンドルなどに多く使用される代表的な合金鋼である。

主な特徴：

• 強度と靭性に優れている。

• 焼入れ・焼戻し後、安定した機械的性質を得られる。

• 高荷重シャフトや動力伝達部品に適している。

• S45Cより疲労強度と衝撃抵抗性に優れている。

主な用途：

• 高荷重シャフト

• スピンドル

• 高強度ボルト

• ピン

• クランク部品

• カップリング部品

• 油圧シリンダーロッド

• 動力伝達軸

設計上の注意点：

• S45Cより材料費と加工費が高い。

• 熱処理条件を明確に指定する必要がある。

• 精密シャフトでは、熱処理後の研削が必要になる場合がある。

• 食品機械の露出部では、腐食リスクを検討する必要がある。

5.3.3 SNCM系

SNCM系は、ニッケル、クロム、モリブデンを含む高強度合金鋼である。
SCM系よりも、さらに高い靭性と衝撃抵抗性が必要な部品に使用される。

主な特徴：

• 強度と靭性が非常に優れている。

• 大型高荷重部品に適している。

• 衝撃荷重と繰返し荷重に強い。

• 高級機械要素に使用される。

主な用途：

• 大型シャフト

• 高荷重ギア

• 航空・重機部品

• 高強度スピンドル

• 衝撃荷重が大きい動力伝達部品

設計上の注意点：

• 価格が高い。

• 熱処理管理が重要である。

• 一般産業機械では過剰仕様になる場合がある。

• 実際の荷重条件を基準に、適用の必要性を検討する必要がある。

5.4 合金鋼の熱処理

合金鋼は、熱処理とあわせて設計する必要がある。
材料名だけを指定するのではなく、熱処理条件と目標硬度をあわせて指定することが重要である。

焼入れ・焼戻し

焼入れと焼戻しにより、強度と靭性のバランスを確保する処理である。

主な目的：

• 強度向上

• 靭性確保

• 疲労強度向上

• 内部応力の安定化

主な適用材料：

• SCM440

• SNCM439

主な適用部品：

• シャフト

• ボルト

• ピン

• スピンドル

• 高荷重構造部品

浸炭処理

低炭素合金鋼の表面に炭素を浸透させた後、熱処理により表面を硬化させる処理である。

主な目的：

• 表面硬度向上

• 耐摩耗性向上

• 内部靭性の維持

• ギア寿命の向上

主な適用材料：

• SCM415

• SCM420

• SNCM220

主な適用部品：

• ギア

• カム

• スプロケット

• ギアシャフト

• 高摩耗動力伝達部品

窒化処理

表面に窒素を拡散させ、硬度を高める表面硬化処理である。

主な目的：

• 表面硬度向上

• 耐摩耗性向上

• 変形の最小化

• 疲労強度向上

主な適用部品：

• 精密シャフト

• ギア

• 金型部品

• スピンドル

• 摺動部品

設計上の注意点：

• 浸炭処理より硬化深さが浅い場合が多い。

• 表面層の品質管理が重要である。

• 精密部品には有利だが、コストが高くなる場合がある。

5.5 合金鋼の主な適用部品

高荷重シャフト

高荷重シャフトは、ねじり、曲げ、疲労荷重を受ける。

適用材料：

• SCM440

• SNCM439

適用理由：

• 疲労強度が高い。

• 焼入れ・焼戻しによって強度と靭性を確保できる。

• 繰返し荷重に有利である。

ギア

ギアは、接触応力、曲げ応力、摩耗を同時に受ける。

適用材料：

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• SNCM220

適用理由：

• 表面硬度を高めることができる。

• 耐摩耗性と疲労強度を確保できる。

• 動力伝達部品に適している。

設計上の注意点：

• 歯面硬度と芯部靭性をあわせて考慮する必要がある。

• 熱処理変形と歯形精度の管理が重要である。

• 高精度ギアでは、熱処理後の研削を検討する。

高強度ボルトおよびピン

高強度締結部品とピンは、引張荷重、せん断荷重、衝撃、繰返し荷重を受けることがある。

適用材料：

• SCM435

• SCM440

適用理由：

• 高い引張強さを確保できる。

• 焼入れ・焼戻し後に安定した物性を得られる。

• 繰返し荷重に強い。

設計上の注意点：

• 締付トルクと疲労破壊をあわせて検討する必要がある。

• 表面処理による水素脆性の可能性も考慮する必要がある。

5.6 合金鋼の長所と限界

長所：

• 高強度設計が可能である。

• 熱処理後の機械的性質が優れている。

• 疲労強度と耐摩耗性が良い。

• ギア、シャフト、スピンドルなどの重要部品に適している。

• 表面硬化処理と組み合わせることで寿命を大きく伸ばせる。

限界：

• 一般炭素鋼より高価である。

• 熱処理条件によって性能差が大きい。

• 熱処理変形と後加工コストを考慮する必要がある。

• 単純構造部品には過剰仕様になる場合がある。

• 耐食性はステンレス鋼より低い。

6. 工具鋼

6.1 工具鋼の定義

工具鋼は、切断、成形、摩耗、高温、繰返し衝撃のような厳しい条件で使用される高硬度鋼材である。
一般的な機械構造物よりも、金型、刃物、パンチ、ダイ、切断部品、摩耗部品に主に使用される。

工具鋼は、熱処理によって非常に高い硬度と耐摩耗性を確保できる。

代表材料：

• SKD11

• SKD61

• SKH51

• SKS3

• STD11

6.2 工具鋼の主な特徴

工具鋼は、一般構造用材料とは目的が異なる。
単純な強度よりも、硬度、耐摩耗性、熱的安定性、切削性能、靭性が重要である。

主な特徴：

• 高い硬度を得ることができる。

• 耐摩耗性に優れている。

• 金型や切断部品に適している。

• 熱処理後の寸法安定性が重要である。

• 一部の材料は高温でも硬度を維持する。

• 衝撃に弱く、脆くなる場合がある。

• 加工費と熱処理費が高い。

6.3 代表的な工具鋼材料

6.3.1 SKD11

SKD11は、冷間工具鋼であり、高い硬度と耐摩耗性が必要な部品に使用される。

主な特徴：

• 熱処理後に非常に高い硬度を得られる。

• 耐摩耗性に優れている。

• 冷間金型、パンチ、ダイ、刃物に適している。

• 寸法安定性が比較的良い。

主な用途：

• 切断刃

• パンチ

• ダイ

• 冷間金型

• 摩耗プレート

• スリッターナイフ

• 成形金型部品

設計上の注意点：

• 衝撃に弱い場合がある。

• 熱処理後に研削加工が必要になることが多い。

• 鋭い角部には割れのリスクがある。

• 食品機械の刃物として使用する場合は、耐食性を検討する必要がある。

6.3.2 SKD61

SKD61は、熱間工具鋼であり、高温環境で使用される金型や部品に適している。

主な特徴：

• 高温強度と熱衝撃抵抗性が良い。

• 熱間金型、ダイカスト金型に使用される。

• 高温での硬度保持性が良い。

• SKD11より熱間条件に適している。

主な用途：

• ダイカスト金型

• 熱間鍛造金型

• 押出金型

• 高温治具

• 熱間成形部品

設計上の注意点：

• 一般的な切断刃には、SKD11の方が適している場合がある。

• 熱処理条件と表面処理条件をあわせて検討する必要がある。

• 繰返し熱衝撃がある場合は、割れ管理が重要である。

6.3.3 SKH51

SKH51は、高速度鋼であり、切削工具や高速摩擦条件で使用される。

主な特徴：

• 高温でも硬度を維持する。

• 切削工具に適している。

• 耐摩耗性と熱間硬度に優れている。

• 価格が高い。

主な用途：

• ドリル

• エンドミル

• 切削工具

• カッター

• 高速切断刃

• パンチ

設計上の注意点：

• 高価なため、必要な部位に限定して適用する必要がある。

• 衝撃が大きい条件では、破損の可能性を検討する必要がある。

• 熱処理と研削品質が重要である。

6.4 工具鋼の熱処理

工具鋼は、熱処理が性能を決定する。
同じ材料であっても、熱処理条件によって硬度、靭性、耐摩耗性、寸法安定性が大きく変わる。

焼入れ

高硬度を得るための基本的な熱処理である。

目的：

• 硬度向上

• 耐摩耗性確保

• 切断性能向上

設計上の注意点：

• 急冷により割れが発生する可能性がある。

• 複雑形状の部品では変形が大きくなる場合がある。

• 予熱、冷却条件、後続の焼戻しが重要である。

焼戻し

焼入れ後に脆性を低減し、必要な靭性を確保するための処理である。

目的：

• 脆性低減

• 内部応力の緩和

• 靭性確保

• 寸法安定化

設計上の注意点：

• 目標硬度と使用条件に合わせて、焼戻し温度を指定する必要がある。

• 切断刃では、硬度と靭性のバランスが重要である。

表面処理

工具鋼は、必要に応じて表面処理を追加できる。

代表的な表面処理：

• 窒化

• TiNコーティング

• DLCコーティング

• PVDコーティング

• 酸化処理

目的：

• 耐摩耗性向上

• 摩擦低減

• 焼付き防止

• 寿命向上

設計上の注意点：

• 母材硬度とコーティング層の組み合わせが重要である。

• コーティング剥離を考慮する必要がある。

• 食品機械では、コーティング剥離による異物混入リスクを検討する必要がある。

6.5 工具鋼の主な適用部品

切断刃

切断刃では、高い硬度と刃先保持性が重要である。

適用材料：

• SKD11

• SKH51

• STS420

• 特殊ステンレス刃物鋼

工具鋼を適用する理由：

• 切断性が良い。

• 耐摩耗性が優れている。

• 刃先寿命が長い。

設計上の注意点：

• 食品機械では、錆の発生リスクと清掃性を検討する必要がある。

• 工具鋼はステンレス鋼より耐食性が低い場合がある。

• 食品接触刃物では、耐食性、硬度、衛生性をあわせて検討する必要がある。

金型部品

金型は、繰返し圧縮、せん断、摩擦、熱条件を受ける。

適用材料：

• SKD11

• SKD61

• SKH51

適用理由：

• 高い硬度と耐摩耗性を確保できる。

• 繰返し成形条件に適している。

• 表面処理と組み合わせることで寿命を向上できる。

摩耗プレート

摩耗プレートは、他部品との繰返し接触による摩耗を受け止める交換部品である。

適用材料：

• SKD11

• 高周波焼入れS45C

• 熱処理済みSCM440

• セラミック

• UHMW-PE

工具鋼を適用する理由：

• 金属同士の接触摩耗に強い。

• 長期間使用できる。

• 高荷重条件に適している。

設計上の注意点：

• 相手材を損傷させる可能性があるため、材料の組み合わせを検討する必要がある。

• 潤滑条件が重要である。

• 衝撃が大きい箇所では、破損リスクを検討する必要がある。

6.6 工具鋼の長所と限界

長所：

• 高い硬度を確保できる。

• 耐摩耗性に優れている。

• 切断、成形、摩耗部品に適している。

• 表面処理と組み合わせることで寿命を大きく伸ばせる。

• 冷間用、熱間用、切削用など、用途別に選定できる。

限界：

• 価格が高い。

• 加工が難しい。

• 熱処理後の変形や割れのリスクがある。

• 衝撃に弱い場合がある。

• 耐食性はステンレス鋼より低い場合が多い。

• 食品機械では、錆、コーティング剥離、清掃性を検討する必要がある。

7. 四つの鉄鋼材料群の比較

7.1 機能基準での比較

7.2 設計観点での比較

8. 部品別材料選定ガイド

8.1 フレーム

推奨材料：

• SS400

• S355

• SM490

選定理由：

• 溶接性が良い。

• 経済的である。

• 大型構造物を製作しやすい。

食品機械の場合：

• 洗浄水にさらされない内部構造であれば、塗装鋼材の使用を検討できる。

• 洗浄水にさらされる、または衛生的な外観が必要な場合は、STS304を検討する。

8.2 一般シャフト

推奨材料：

• S45C

• SCM440

• STS304

• STS420

選定基準：

• 一般荷重：S45C

• 高荷重または繰返し荷重：SCM440

• 腐食環境または洗浄環境：STS304、STS420

• 表面摩耗が大きい場合：高周波焼入れまたは表面処理を適用

8.3 ギア

推奨材料：

• SCM415

• SCM420

• SCM440

• S45C

• POM

• MCナイロン

鉄鋼材料基準での選定：

• 低荷重一般ギア：S45C

• 高荷重動力伝達ギア：SCM415、SCM420の浸炭処理品

• 衝撃と繰返し荷重が大きいギア：SCM440またはSNCM系

8.4 刃物

推奨材料：

• SKD11

• SKH51

• STS420

• 特殊ステンレス刃物鋼

選定基準：

• 切断寿命重視：SKD11、SKH51

• 耐食性と衛生性重視：STS420またはステンレス刃物鋼

• 食品機械用途：硬度、耐食性、清掃性、錆発生リスクをあわせて検討

8.5 摩耗プレート

推奨材料：

• SKD11

• 熱処理済みSCM440

• 高周波焼入れS45C

• UHMW-PE

• セラミック

選定基準：

• 金属同士の高荷重摩耗：SKD11、SCM440

• 一般摩耗：高周波焼入れS45C

• 食品搬送部の低摩擦摩耗：UHMW-PE

• 極めて激しい摩耗：セラミック

9. 食品機械設計における鉄鋼材料の適用

食品機械では、鉄鋼材料を選定する際、単純に強度だけで判断してはならない。
腐食、衛生性、清掃性、異物混入の可能性をあわせて検討する必要がある。

9.1 一般構造用鋼の適用

食品機械において、一般構造用鋼は主に非接触構造部に使用できる。

適用可能部位：

• 内部ベース

• 非露出フレーム

• モーターベース

• 減速機支持台

• 乾式環境の支持構造物

設計上の注意点：

• 洗浄水にさらされると腐食が発生する可能性がある。

• 塗装剥離により異物混入が発生する可能性がある。

• 原則として、食品接触部には使用しない。

9.2 炭素鋼の適用

炭素鋼は、シャフト、ピン、ローラーなどの機械要素部品に使用できる。

適用可能部位：

• 非接触シャフト

• 内部駆動軸

• ヒンジピン

• ローラー軸

• カム

設計上の注意点：

• 錆が発生する可能性がある。

• 食品接触部または洗浄水にさらされる位置には適さない場合がある。

• 表面処理と防錆管理が必要である。

9.3 合金鋼の適用

合金鋼は、高荷重駆動部に適している。

適用可能部位：

• 減速機内部ギア

• 駆動軸

• 高荷重ピン

• スプロケット

• 動力伝達部品

設計上の注意点：

• 外部に露出する部品では腐食対策が必要である。

• 食品接触部では、ステンレス系材料を優先して検討する。

• 潤滑油と防錆管理が必要である。

9.4 工具鋼の適用

工具鋼は、食品の切断、成形、摩耗部品に使用できる。

適用可能部位：

• 切断刃

• カッター

• スクレーパー

• 摩耗プレート

• パンチング部品

設計上の注意点：

• 耐食性が不足する場合がある。

• 洗浄後の乾燥管理が必要である。

• 食品接触刃物では、ステンレス刃物鋼と比較する必要がある。

• コーティングを適用する場合は、剥離リスクを検討する必要がある。

10. 鉄鋼材料の選定手順

鉄鋼材料を選定する際は、次の順序で検討するとよい。

10.1 部品の機能確認

まず、部品の機能を確認する。

• 構造を支持するのか。

• 回転力を伝達するのか。

• 摩擦と摩耗を受けるのか。

• 切断機能を行うのか。

• 衝撃荷重を受けるのか。

• 食品や洗浄水にさらされるのか。

10.2 荷重条件の確認

次に、荷重条件を確認する。

• 静荷重

• 繰返し荷重

• 衝撃荷重

• 曲げ荷重

• ねじり荷重

• 接触荷重

• せん断荷重

荷重が単純な構造支持であれば、一般構造用鋼が適している場合がある。
繰返し荷重や回転荷重が大きい場合は、炭素鋼または合金鋼を検討する必要がある。
摩耗や切断が重要な場合は、工具鋼を検討する。

10.3 環境条件の確認

環境条件は、材料選定に大きな影響を与える。

確認項目：

• 屋内または屋外

• 乾式または湿式

• 洗浄水への暴露有無

• 食品接触の有無

• 油または潤滑剤の使用有無

• 高温または低温環境

• 腐食性ガスまたは薬品への暴露有無

ほとんどの鉄鋼材料は耐食性が低いため、腐食環境ではステンレス鋼または表面処理をあわせて検討する必要がある。

10.4 加工方法の確認

材料は、加工方法とあわせて選定する必要がある。

確認項目：

• 溶接するのか。

• 切削加工するのか。

• 板金曲げを行うのか。

• 熱処理するのか。

• 研削加工が必要か。

• 表面処理を適用するのか。

例えば、溶接フレームには一般構造用鋼が適している。
精密シャフトにはS45CまたはSCM440が適している。
高硬度刃物にはSKD11またはSKH51が適している。

10.5 熱処理と表面処理の決定

鉄鋼材料は、熱処理と表面処理によって性能が大きく変わる。

検討項目：

• 高周波焼入れ

• 焼入れ・焼戻し

• 浸炭処理

• 窒化処理

• 黒染め

• 亜鉛めっき

• 無電解ニッケルめっき

• クロムめっき

• PVDコーティング

• DLCコーティング

設計上の注意点：

• 熱処理後の変形を考慮する必要がある。

• 表面処理の厚さが寸法に影響する場合がある。

• 食品機械では、コーティング剥離やめっき剥離のリスクを検討する必要がある。

11. 図面に材料を指定する際の注意点

図面に材料を指定する場合は、単に材料名だけを記載するのではなく、必要条件もあわせて明記することが望ましい。

11.1 材料名の指定

例：

• SS400

• S45C

• SCM440

• SCM415

• SKD11

• SKH51

11.2 熱処理条件の指定

例：

• S45C、高周波焼入れ

• SCM440、焼入れ・焼戻し

• SCM420、浸炭処理

• SKD11、熱処理 HRC 58〜62

必要に応じて、図面には目標硬度、硬化深さ、熱処理範囲を指定する。

11.3 表面処理条件の指定

例：

• 黒染め

• 亜鉛めっき

• 無電解ニッケルめっき

• 硬質クロムめっき

• 窒化処理

• DLCコーティング

設計上の注意点：

• 表面処理後に寸法変化があるか確認する必要がある。

• はめあい部、ベアリング組付部、ねじ部では、表面処理厚さを考慮する必要がある。

11.4 食品機械図面での注意点

食品機械では、材料名だけでなく、適用位置と表面状態も重要である。

確認項目：

• 食品接触部か非食品接触部か

• 洗浄水への暴露有無

• 表面粗さ

• 溶接部の研磨有無

• めっきまたはコーティング剥離リスク

• 潤滑油との接触可能性

• 腐食発生の可能性

食品接触部では、一般鉄鋼材料よりもSTS304、STS316、STS420などのステンレス材料を優先的に検討するのが一般的である。

12. まとめ

機械設計において、一般構造用鋼、炭素鋼、合金鋼、工具鋼は、それぞれ明確に役割が異なる。

一般構造用鋼は、機械の骨格を構成する経済的な構造材料である。
フレーム、ベース、ブラケット、溶接構造物に適しているが、耐食性と耐摩耗性は低い。

炭素鋼は、一般機械要素部品に適した材料である。
S45Cを中心に、シャフト、ピン、ローラー、カムなどに使用され、熱処理によって強度と耐摩耗性を高めることができる。

合金鋼は、高荷重、繰返し荷重、疲労荷重を受ける重要部品に適している。
SCM415、SCM420、SCM440などが代表的であり、ギア、高強度シャフト、スピンドル、高荷重ピンに使用される。

工具鋼は、切断、成形、摩耗条件に特化した高硬度材料である。
SKD11、SKD61、SKH51などが代表的であり、刃物、金型、パンチ、ダイ、摩耗プレートに使用される。

鉄鋼材料を選定する際は、単純に強度だけを基準にしてはならない。
部品の機能、荷重条件、摩擦条件、使用環境、熱処理、表面処理、加工性、コスト、保守性を総合的に検討する必要がある。

特に食品機械では、鉄鋼材料の強度よりも、腐食、清掃性、衛生性、異物混入の可能性がより重要な基準になる場合がある。
したがって、食品接触部には一般鉄鋼材料を直接適用するよりも、ステンレス鋼または食品用材料を優先的に検討する必要がある。