1. 機械設計における材料の意味
機械設計における材料とは、単に「部品を作るための素材」を意味するだけではない。
材料は、機械の構造強度、耐久性、摩擦特性、衛生性、耐食性、熱変形、加工性、組立性、保守性、コストを決定する重要な設計要素である。
したがって、材料選定では次のような項目をあわせて検討する必要がある。
その部品は荷重を受けるのか
摩擦や摩耗が発生するのか
水、洗浄剤、酸、塩分、食品に接触するのか
高温または低温環境で使用されるのか
溶接、切削、曲げ、鋳造、射出成形など、どの製造工程で作られるのか
衛生、安全、食品接触に関する要求を満たす必要があるのか
修理や交換が容易である必要があるのか
コストと性能のバランスは適切か
2. 金属材料
金属材料は、機械設計で最も基本的に使用される材料群である。
強度、剛性、耐熱性、加工性、溶接性、表面処理性に優れており、フレーム、シャフト、ブラケット、ギア、ベアリングハウジング、カバー、プレートなどに広く使用される。
2.1 鉄鋼材料
鉄鋼材料は、鉄を主成分とし、炭素や合金元素を含む材料である。
コストに対する強度が高く、加工性にも優れているため、産業機械で最も多く使用される。
2.1.1 一般構造用鋼材
代表材料：
SS400
S275
S355
ASTM A36
主な特徴：
価格が安い
切断、溶接、曲げ、切削加工がしやすい
フレーム、ベース、ブラケット、支持構造に適している
腐食に弱いため、塗装、めっき、黒染めなどの表面処理が必要である
主な用途：
機械フレーム
ベースプレート
溶接構造物
一般ブラケット
支持構造物
設計上の注意点：
湿気、洗浄水、塩分環境では錆が発生しやすいため注意が必要である。
食品機械では、食品接触部への使用は適さない場合が多い。
塗装面が損傷すると、腐食が急速に進行する可能性がある。
2.1.2 炭素鋼
代表材料：
S45C
S50C
AISI 1045
主な特徴：
一般構造用鋼材より強度が高い
熱処理により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、機械要素部品に多く使用される
溶接性は一般構造用鋼材より劣る
主な用途：
回転軸
ピン
ローラー
カム
ギア素材
機械加工部品
設計上の注意点：
熱処理後に変形が発生する可能性がある。
耐食性が低いため、表面処理が必要である。
食品接触部には適さない場合が多い。
2.1.3 合金鋼
代表材料：
SCM415
SCM420
SCM440
SNCM系
主な特徴：
クロム、モリブデン、ニッケルなどの合金元素を含む
強度、靭性、疲労強度、耐摩耗性に優れている
熱処理特性が良い
高荷重の機械要素に適している
主な用途：
高強度シャフト
ギア
スピンドル
ボルト
動力伝達部品
高荷重ピン
設計上の注意点：
一般炭素鋼より価格が高い。
熱処理条件によって性能差が大きい。
機械加工後の熱処理、研削工程まで含めて検討する必要がある。
2.1.4 工具鋼
代表材料：
SKD11
SKD61
SKH51
主な特徴：
高い硬度と優れた耐摩耗性を持つ
金型、刃物、切断部品、摩耗部品に使用される
熱処理後に非常に硬くなる
衝撃に対しては脆い場合がある
主な用途：
切断刃
金型部品
パンチ
ダイ
摩耗プレート
高硬度ガイド部品
設計上の注意点：
熱処理後の加工は難しい。
衝撃荷重が大きい部品では靭性の検討が必要である。
食品機械の刃物では、ステンレス系刃物材との比較検討が必要である。
2.2 ステンレス鋼
ステンレス鋼は、クロムを含み、優れた耐食性を持つ鉄系材料である。
食品機械、医療機器、化学機械、洗浄環境で使用される装置において重要な材料である。
2.2.1 オーステナイト系ステンレス鋼
代表材料：
STS304
STS316
STS316L
主な特徴：
耐食性に優れている
衛生性が高い
溶接性が良い
非磁性または弱い磁性を持つ
加工硬化が発生しやすい
主な用途：
食品接触部
タンク
ホッパー
カバー
フレーム
洗浄水にさらされる部品
配管
混合チャンバー
STS304：
食品機械で最も一般的に使用されるステンレス鋼である。
コストと性能のバランスが良い。
STS316：
モリブデンを含み、塩分や酸性環境に対する耐食性が高い。
海水、塩分、酸性洗浄剤環境に適している。
STS316L：
炭素含有量が低く、溶接後の耐食性に優れている。
サニタリー配管、タンク、溶接構造物に適している。
設計上の注意点：
一般鋼材より価格が高い。
切削加工時には加工硬化と発熱に注意が必要である。
表面粗さ、溶接ビード、すき間構造は衛生性に大きく影響する。
2.2.2 マルテンサイト系ステンレス鋼
代表材料：
STS410
STS420
SUS420J2
主な特徴：
熱処理により硬度を高めることができる
耐摩耗性が良い
オーステナイト系より耐食性は低い
刃物、シャフト、切断部品に使用される
主な用途：
食品切断刃
カッター
高硬度シャフト
摩耗部品
ポンプ部品
設計上の注意点：
腐食環境ではSTS304、STS316より不利である。
食品接触部では錆の発生可能性を必ず検討する必要がある。
洗浄液や塩分環境では、表面処理と管理が重要である。
2.2.3 フェライト系ステンレス鋼
代表材料：
STS430
主な特徴：
磁性を持つ
比較的安価である
耐食性はSTS304より低い
装飾カバー、外装材、低腐食環境の部品に使用される
主な用途：
外装カバー
保護カバー
非食品接触部
軽量板金部品
設計上の注意点：
食品接触部での使用は限定的にすべきである。
溶接性と耐食性はSTS304より劣る。
洗浄環境では腐食リスクを検討する必要がある。
2.3 非鉄金属
非鉄金属とは、鉄を主成分としない金属材料である。
代表的なものには、アルミニウム、銅合金、チタン、ニッケル合金などがある。
2.3.1 アルミニウム合金
代表材料：
A5052
A6061
A7075
ADC12
主な特徴：
軽量である
切削性が良い
熱伝導性が良い
アルマイト処理が可能である
剛性は鉄鋼材料より低い
主な用途：
軽量ブラケット
カバー
プレート
放熱部品
自動化装置部品
ロボット部品
アルミフレーム
A5052：
板金、曲げ加工、カバー類に適している。
耐食性が良い。
A6061：
切削部品、構造部品に多く使用される。
強度と加工性のバランスが良い。
A7075：
高強度アルミニウムである。
航空分野や高強度軽量部品に使用される。
価格が高く、耐食性は相対的に低い。
ADC12：
アルミダイカスト用材料である。
複雑形状と量産に適している。
設計上の注意点：
鉄鋼材料より弾性係数が低いため、曲げ変形が大きくなる可能性がある。
ねじ山が摩耗しやすいため、インサートの使用を検討する必要がある。
食品接触部では、表面処理と規格適合性を確認する必要がある。
2.3.2 銅および銅合金
代表材料：
純銅
黄銅
青銅
リン青銅
主な特徴：
電気伝導性と熱伝導性に優れている
摩擦特性が良い
ブッシュ、軸受、電気接点に使用される
一部の銅合金は耐摩耗性が良い
主な用途：
ブッシュ
摺動部品
電気端子
熱交換部品
ウォームホイール
軸受メタル
設計上の注意点：
鉄鋼材料より強度が低い。
食品接触用途では、鉛成分、衛生性、腐食リスクを確認する必要がある。
価格は比較的高い。
2.3.3 チタン合金
代表材料：
Titanium Grade 2
Ti-6Al-4V
主な特徴：
軽量で高強度である
耐食性が非常に高い
生体適合性が良い
高価で加工が難しい
主な用途：
航空部品
医療機器
化学装置
高耐食部品
軽量高強度部品
設計上の注意点：
材料費と加工費が高い。
切削加工時には工具摩耗と熱管理が重要である。
一般産業機械では、コスト面から使用範囲は限定的である。
3. 高分子材料
高分子材料には、プラスチック、エンジニアリングプラスチック、ゴム、樹脂系材料が含まれる。
金属より軽量であり、電気絶縁性、耐食性、低摩擦性、衝撃吸収性に優れる場合が多い。
3.1 汎用プラスチック
代表材料：
PE
PP
PVC
ABS
PS
主な特徴：
価格が安い
成形性が良い
軽量である
強度と耐熱性には限界がある
主な用途：
カバー
ハンドル
保護キャップ
ケース
ガイド
非構造部品
設計上の注意点：
荷重を受ける構造部品への使用は限定的にすべきである。
温度変化による変形が大きい。
長期使用ではクリープ変形が発生する可能性がある。
3.2 エンジニアリングプラスチック
エンジニアリングプラスチックは、汎用プラスチックより強度、耐熱性、耐摩耗性、寸法安定性に優れた材料である。
機械部品として直接使用される場合が多い。
3.2.1 POM
主な特徴：
切削性が良い
摩擦係数が低い
寸法安定性が良い
ギア、ローラー、スライダーに適している
主な用途：
プラスチックギア
ローラー
ガイド
ブッシュ
摺動部品
治具部品
設計上の注意点：
接着性が低い。
高温環境には制限がある。
食品機械では、食品接触可能グレードかどうか確認する必要がある。
3.2.2 PA / ナイロン
主な特徴：
靭性が良い
耐摩耗性が良い
衝撃に強い
吸湿により寸法が変化する可能性がある
主な用途：
ギア
ブッシュ
ローラー
チェーンガイド
摩耗パッド
設計上の注意点：
吸湿により精密寸法の維持が難しくなる場合がある。
湿度の高い環境では、寸法変化と強度低下を考慮する必要がある。
3.2.3 PC
主な特徴：
透明性が良い
衝撃強度が高い
保護窓、安全カバーに適している
主な用途：
透明カバー
安全窓
保護ガード
点検窓
設計上の注意点：
一部の洗浄剤や溶剤に弱い場合がある。
傷がつきやすい。
高温洗浄環境では変形する可能性がある。
3.2.4 PTFE
主な特徴：
摩擦係数が非常に低い
耐薬品性に優れている
非粘着性が良い
耐熱性が良い
主な用途：
シール
ガスケット
摺動パッド
ライニング
非粘着部品
食品機械用ガイド部品
設計上の注意点：
剛性が低く、クリープが大きい。
継続的に荷重を受ける部品では変形を考慮する必要がある。
締結部では圧縮変形を検討する必要がある。
3.2.5 UHMW-PE
主な特徴：
耐摩耗性が非常に良い
摩擦係数が低い
衝撃吸収性が良い
食品機械のガイド、シュート、チェーンレールに多く使用される
主な用途：
チェーンガイド
コンベヤレール
摺動プレート
シュートライニング
食品搬送ガイド
設計上の注意点：
熱変形に弱い。
精密寸法部品には適さない場合がある。
長期荷重によるクリープを考慮する必要がある。
3.3 スーパーエンジニアリングプラスチック
高温、高荷重、高腐食環境で使用される高性能プラスチックである。
代表材料：
PEEK
PPS
PI
PEI
主な特徴：
耐熱性が高い
強度と寸法安定性に優れている
耐薬品性が良い
価格が非常に高い
主な用途：
高温治具
高性能ブッシュ
絶縁部品
半導体装置部品
医療機器部品
高耐熱機械部品
設計上の注意点：
材料費が高いため、使用部位を明確に限定する必要がある。
加工条件により寸法精度が変わる可能性がある。
金属代替として使用する場合は、剛性の違いを必ず検討する必要がある。
4. ゴムおよび弾性材料
ゴム材料は、弾性、密封性、振動吸収性、衝撃吸収性が必要な箇所に使用される。
代表材料：
NBR
EPDM
Silicone
Viton
Urethane Rubber
4.1 NBR
主な特徴：
耐油性が良い
一般的なオイルシール、パッキンに多く使用される
比較的安価である
主な用途：
オイルシール
Oリング
パッキン
ガスケット
設計上の注意点：
高温、オゾン、紫外線には弱い。
食品接触部では、専用の食品グレードを確認する必要がある。
4.2 EPDM
主な特徴：
耐水性、耐オゾン性、耐候性が良い
水、蒸気、洗浄環境に適している
油には弱い
主な用途：
防水パッキン
洗浄装置用ガスケット
ドアシール
屋外露出部のシール
設計上の注意点：
油環境では使用しない方がよい。
食品機械では、食品グレードの確認が必要である。
4.3 シリコーン
主な特徴：
耐熱性と耐寒性が良い
弾性が安定している
食品用、医療用グレードとして多く使用される
主な用途：
食品機械用パッキン
高温シール
チューブ
ガスケット
ドアパッキン
設計上の注意点：
機械的強度と耐摩耗性は高くない。
引き裂きに弱い場合がある。
4.4 Viton
主な特徴：
耐熱性、耐薬品性、耐油性に非常に優れている
高温、化学薬品、油環境に適している
主な用途：
高性能Oリング
化学装置用シール
高温パッキン
耐油シール
設計上の注意点：
価格が高い。
低温弾性はシリコーンより劣る場合がある。
4.5 ウレタンゴム
主な特徴：
耐摩耗性が非常に良い
衝撃吸収性が良い
ローラー、パッド、ストッパーに適している
主な用途：
ローラー
衝撃吸収パッド
ストッパー
ホイール
摩耗ライナー
設計上の注意点：
高温環境では物性が低下する可能性がある。
食品接触部では、専用グレードを確認する必要がある。
5. セラミック材料
セラミックは、金属やプラスチックよりも硬度、耐熱性、耐摩耗性、電気絶縁性に優れた材料である。
ただし、脆性が高く、衝撃には弱い。
代表材料：
Alumina
Zirconia
Silicon Carbide
Silicon Nitride
主な特徴：
非常に硬い
摩耗に強い
高温で安定している
電気絶縁性が良い
脆く、衝撃で割れやすい
主な用途：
絶縁部品
高温部品
ベアリングボール
ノズル
シール部品
摩耗プレート
半導体装置部品
設計上の注意点：
衝撃荷重を避ける必要がある。
ねじ部や締結部では応力集中を低減する必要がある。
金属部品と組み合わせる場合、熱膨張差を考慮する必要がある。
6. 複合材料
複合材料は、二つ以上の材料を組み合わせることで、単一材料では得にくい性能を確保する材料である。
代表材料：
CFRP
GFRP
FRP
金属基複合材料
繊維強化プラスチック
6.1 CFRP
主な特徴：
非常に軽量で剛性が高い
疲労特性が良い
熱膨張が小さい
価格が高い
主な用途：
ロボットアーム
航空部品
高速移動構造物
精密装置フレーム
軽量構造物
設計上の注意点：
衝撃損傷が内部に発生し、外観からは分かりにくい場合がある。
加工時には粉じん管理が必要である。
金属と締結する場合、電食を考慮する必要がある。
6.2 GFRP / FRP
主な特徴：
耐食性が良い
電気絶縁性が良い
金属より軽量である
CFRPより安価である
主な用途：
カバー
タンク
ダクト
絶縁構造物
腐食環境用構造物
設計上の注意点：
寸法精度は金属より低い場合がある。
締結部の強度を検討する必要がある。
長期使用時には、紫外線、水分、温度の影響を考慮する必要がある。
7. 表面処理およびコーティング材料
機械設計では、母材そのものよりも表面特性が重要になる場合が多い。
表面処理やコーティングは、耐食性、耐摩耗性、潤滑性、衛生性、外観、清掃性を改善するために使用される。
7.1 めっき
代表方式：
亜鉛めっき
ニッケルめっき
クロムめっき
無電解ニッケルめっき
主な目的：
腐食防止
外観改善
耐摩耗性向上
寸法補正
設計上の注意点：
食品接触部では、めっき剥離のリスクを検討する必要がある。
めっき厚さが寸法に影響する可能性がある。
角部や穴内部では、めっき品質に差が出る可能性がある。
7.2 酸化皮膜処理
代表方式：
アルマイト
黒染め
酸化皮膜処理
主な目的：
アルミニウムの耐食性向上
外観改善
表面硬度向上
絶縁性の確保
設計上の注意点：
皮膜層が損傷すると母材が露出する。
食品接触部では、処理方法と使用可否を確認する必要がある。
7.3 窒化、浸炭、高周波焼入れ
主な目的：
表面硬度向上
耐摩耗性向上
疲労強度向上
ギア、シャフト、カムの寿命向上
主な用途：
ギア
シャフト
カム
摺動部品
ベアリング接触部
設計上の注意点：
熱処理変形を考慮する必要がある。
後加工、研削、寸法補正が必要になる場合がある。
内部靭性と表面硬度のバランスが重要である。
7.4 フッ素樹脂コーティング
代表材料：
PTFEコーティング
PFAコーティング
FEPコーティング
主な特徴：
非粘着性に優れている
摩擦が低い
耐薬品性が良い
食品搬送部、シュート、ガイドに使用される
設計上の注意点：
コーティング剥離が発生する可能性がある。
鋭利な角部、衝撃、強い摩擦がある箇所では寿命が短くなる可能性がある。
食品機械では、剥離したコーティング片が製品に混入するリスクを検討する必要がある。
8. 接着剤、シーラント、潤滑材料
機械設計において、接着剤、シーラント、潤滑剤は補助材料であるが、実際の装置性能と保守性に大きな影響を与える。
8.1 接着剤
代表種類：
エポキシ
瞬間接着剤
嫌気性接着剤
構造用接着剤
主な用途：
部品固定
ねじの緩み防止
複合材料の接合
金属とプラスチックの接合
設計上の注意点：
温度、湿度、振動、洗浄剤に対する耐性を確認する必要がある。
分解整備が必要な箇所では使用を制限すべきである。
食品機械では、食品接触への適合性を確認する必要がある。
8.2 シーラント
代表種類：
シリコーンシーラント
ウレタンシーラント
液状ガスケット
主な用途：
防水
油漏れ防止
すき間密封
カバー密封
設計上の注意点：
清掃性と衛生性を考慮する必要がある。
すき間に汚れが蓄積しない構造にする必要がある。
分解整備時の除去性を検討する必要がある。
8.3 潤滑剤
代表種類：
グリース
オイル
食品用潤滑剤
高温潤滑剤
乾式潤滑剤
主な用途：
ベアリング
チェーン
ギア
リニアガイド
ボールねじ
摺動部品
設計上の注意点：
食品機械では、食品用潤滑剤の使用が重要である。
洗浄水による潤滑剤の流失を考慮する必要がある。
潤滑周期と保守アクセス性を設計段階で反映する必要がある。
9. 機能性材料
機能性材料は、単なる構造強度だけでなく、特定の機能を提供する材料である。
9.1 電気絶縁材料
代表材料：
POM
PTFE
PEI
PEEK
セラミック
エポキシガラス
主な用途：
電気絶縁板
センサーブラケット
端子台
絶縁ブッシュ
電装部品保護部品
設計上の注意点：
絶縁耐圧を確認する必要がある。
湿度や汚染による絶縁低下を考慮する必要がある。
熱変形と難燃性を検討する必要がある。
9.2 耐熱材料
代表材料：
ステンレス鋼
耐熱鋼
セラミック
PEEK
PTFE
シリコーンゴム
主な用途：
ヒーター周辺部品
高温チャンバー
オーブン装置
熱風装置
高温シール
設計上の注意点：
熱膨張を考慮する必要がある。
高温時の強度低下を検討する必要がある。
隣接部品への熱伝達を管理する必要がある。
9.3 耐摩耗材料
代表材料：
SKD11
熱処理済みSCM系鋼
UHMW-PE
PTFE
セラミック
ウレタン
青銅
主な用途：
ガイド
ローラー
スライダー
刃物
チェーンレール
摩耗プレート
設計上の注意点：
相手材との組み合わせが重要である。
潤滑条件もあわせて検討する必要がある。
交換可能な部品として設計することが望ましい。
9.4 衛生材料
食品機械、製薬機械、医療機器では、衛生性が非常に重要な材料選定基準となる。
代表材料：
STS304
STS316
STS316L
食品用シリコーン
食品用UHMW-PE
食品用POM
食品用PTFE
主な条件：
腐食に強いこと
清掃しやすいこと
表面が滑らかであること
すき間、気孔、剥離リスクが少ないこと
食品と接触しても安全なグレードであること
設計上の注意点：
食品接触部と非接触部を明確に区分する必要がある。
溶接部は研磨と不動態化処理を検討する必要がある。
塗装、めっき、剥離性コーティングは、食品接触部では慎重に使用すべきである。
パッキン、ガスケット、プラスチック部品も食品グレードの確認が必要である。
10. 機械設計観点での材料選定基準
材料選定では、単に強度だけを見て判断してはいけない。
実際の設計では、次の項目を総合的に評価する必要がある。
10.1 機械的特性
検討項目：
引張強さ
降伏強さ
硬度
弾性係数
疲労強度
衝撃強度
摩耗特性
クリープ特性
適用例：
フレームでは剛性と溶接性が重要である。
シャフトでは疲労強度とねじり強度が重要である。
ギアでは表面硬度と耐摩耗性が重要である。
ガイドでは摩擦係数と耐摩耗性が重要である。
10.2 化学的特性
検討項目：
耐食性
耐酸性
耐アルカリ性
耐油性
耐洗浄剤性
耐塩性
適用例：
食品機械は、水、洗浄剤、塩分、油脂にさらされる。
化学装置では、酸、アルカリ、溶剤に対する耐性が重要である。
屋外装置では、雨水、湿気、紫外線を考慮する必要がある。
10.3 熱的特性
検討項目：
耐熱温度
熱膨張係数
熱伝導率
熱変形温度
低温脆性
適用例：
ヒーター周辺部品には耐熱性が必要である。
精密装置では、熱膨張による寸法変化を抑える必要がある。
冷凍装置では、低温脆性を検討する必要がある。
10.4 加工性
検討項目：
切削性
溶接性
曲げ加工性
鋳造性
成形性
研削性
熱処理性
適用例：
複雑形状には鋳造や射出成形を検討する。
少量製作では切削加工が有利である。
フレームでは溶接性と変形管理が重要である。
板金カバーでは曲げ加工性と表面品質が重要である。
10.5 組立性と保守性
検討項目：
締結安定性
ねじ山強度
分解可能性
摩耗後の交換性
表面損傷の可能性
清掃性
適用例：
摩耗部品は交換しやすい材料と構造にすることが望ましい。
プラスチック部品ではインサートナットを検討できる。
食品機械では、分解洗浄しやすい構造が重要である。
10.6 コストと入手性
検討項目：
材料単価
加工費
熱処理費
表面処理費
納期
標準材料の入手性
保守費用
適用例：
高級材料の過剰使用は製品コストを高める。
一般部品では、まず汎用材料を検討する。
重要な摩耗部品や衛生部品には、高性能材料を選定する。
11. 機械部品別の代表的な材料選定例
11.1 フレーム
代表材料：
SS400
S355
STS304
アルミフレーム
選定基準：
剛性
溶接性
コスト
腐食環境
衛生要求
一般産業機械：
SS400溶接フレーム＋塗装
食品機械：
STS304またはSTS316フレーム
自動化装置：
アルミフレームまたはアルミ加工フレーム
11.2 シャフト
代表材料：
S45C
SCM440
STS304
STS420
選定基準：
ねじり強度
疲労強度
耐摩耗性
耐食性
熱処理可能性
一般シャフト：
S45C
高荷重シャフト：
SCM440
食品機械用シャフト：
STS304またはSTS420
11.3 ギア
代表材料：
SCM415
SCM420
SCM440
POM
MCナイロン
青銅
選定基準：
動力伝達荷重
騒音
潤滑条件
摩耗
衝撃荷重
高荷重金属ギア：
SCM系鋼の浸炭処理または熱処理品
低騒音軽量ギア：
POMまたはナイロン
ウォームホイール：
青銅
11.4 カバー
代表材料：
STS304
STS430
A5052
PC
ABS
選定基準：
安全性
外観
衛生性
透明性
着脱性
食品機械用カバー：
STS304
透明安全カバー：
PC
軽量カバー：
アルミニウムまたはプラスチック
11.5 ガイドおよび摺動部品
代表材料：
UHMW-PE
POM
PTFE
青銅
熱処理鋼
セラミック
選定基準：
摩擦係数
耐摩耗性
潤滑条件
相手材への損傷
交換性
食品搬送ガイド：
食品用UHMW-PE
精密摺動部品：
POM、PTFE、青銅
高摩耗部品：
熱処理鋼またはセラミック
11.6 パッキンおよびシール
代表材料：
NBR
EPDM
Silicone
Viton
PTFE
選定基準：
温度
圧力
化学物質
食品接触適合性
弾性回復性
食品機械用パッキン：
食品用シリコーン
食品用EPDM
PTFE
オイルシール：
NBRまたはViton
高温シール：
シリコーンまたはViton
12. 食品機械設計における材料選定の方向性
食品機械では、一般産業機械より材料選定基準が厳しい。
強度と価格だけで判断することはできず、衛生性、清掃性、耐食性、異物混入リスクをあわせて検討する必要がある。
12.1 食品接触部
推奨材料：
STS304
STS316
STS316L
食品用UHMW-PE
食品用POM
食品用PTFE
食品用シリコーン
避けるべき要素：
錆の発生リスクが高い一般鋼材
剥離の可能性がある塗装
食品グレードが確認されていないプラスチック
清掃が難しい多孔質材料
すき間が多い表面処理構造
12.2 非食品接触構造部
使用可能材料：
塗装SS400
STS304
アルミニウム
エンジニアリングプラスチック
選定基準：
洗浄水への暴露有無
装置外観
コスト
強度
保守性
設計上の注意点：
非食品接触部であっても、洗浄水や湿気にさらされる場合は腐食対策が必要である。
食品製造現場では、外装カバーやフレームにもステンレスが好まれる場合が多い。
12.3 洗浄環境
洗浄環境で重要な要素：
耐水性
耐洗浄剤性
耐塩性
表面粗さ
すき間の最小化
溶接部処理
排水性
推奨方針：
食品接触部では、STS304以上を基本として検討する。
塩分、酸性洗浄剤、強い化学洗浄環境では、STS316またはSTS316Lを検討する。
プラスチックガイドやパッキンは、食品グレードと洗浄剤耐性を確認する。
13. 材料選定の基本原則
機械設計における材料選定では、次の原則に従うことが望ましい。
13.1 機能を中心に選定する
部品の機能が先にあり、材料はその機能を満たすための手段である。
例えば：
荷重を受ける部品 → 強度と剛性
摩擦部品 → 耐摩耗性と摩擦係数
食品接触部 → 衛生性と耐食性
高温部品 → 耐熱性と熱膨張
透明カバー → 衝撃強度と透明性
13.2 使用環境を先に確認する
同じ材料でも、使用環境によって適合性は大きく変わる。
確認すべき環境条件：
乾式または湿式
屋内または屋外
高温または低温
洗浄水への暴露有無
塩分への暴露有無
油への暴露有無
食品接触の有無
化学薬品への暴露有無
13.3 製造工程とあわせて決定する
材料は、加工方法と切り離して選定することはできない。
例えば：
溶接構造物 → 溶接性の良い材料が必要
切削部品 → 切削性の良い材料が必要
板金カバー → 曲げ加工性と表面品質が必要
量産部品 → 鋳造、射出成形、プレス加工の可能性を検討
精密部品 → 熱処理変形と後加工を考慮
13.4 保守性と交換性を考慮する
機械は使用中に摩耗、腐食、破損が発生する。
そのため、材料選定では寿命だけでなく、交換可能性も考慮する必要がある。
例えば：
摩耗部品は安価で交換しやすい材料を選定する。
重要な構造部品は寿命の長い材料を選定する。
食品接触摩耗部品は、異物混入リスクの低い材料を選定する。
清掃が必要な部品は、分解性と表面清掃性を考慮する。
14. まとめ
機械設計で使用される材料は、大きく次のように分類できる。
金属材料
構造強度、剛性、耐熱性、機械加工性が重要な部品に使用される。ステンレス材料
耐食性、衛生性、清掃性が重要な食品機械や化学装置に使用される。非鉄金属
軽量化、熱伝導、電気伝導、特殊耐食性が必要な部品に使用される。高分子材料
軽量性、低摩擦性、電気絶縁性、耐食性が必要な部品に使用される。ゴムおよび弾性材料
シール、衝撃吸収、振動吸収、密封機能が必要な部品に使用される。セラミック材料
高硬度、耐摩耗性、電気絶縁性、高温安定性が必要な部品に使用される。複合材料
軽量高強度、高剛性、耐食性、特殊機能が必要な構造物に使用される。表面処理およびコーティング材料
母材の耐食性、耐摩耗性、潤滑性、清掃性を補完するために使用される。
材料選定は、単に「どの材料が強いか」という問題ではない。
機能、荷重、環境、衛生、加工、組立、保守、コストを総合的に考慮して決定する必要がある。
特に食品機械では、食品接触条件、清掃性、耐食性、異物混入リスク、表面コーティングの剥離可能性まで検討しなければならない。
したがって、材料は機械設計における最後の選択項目ではなく、構造と機能を決定する中核的な設計基準として扱うべきである。