金属は、特に金型や大量生産の製造工程の要を構成している。金属と一口に言っても、それぞれ異なる特性を持っており、他のものよりも特定のものに適しています。このブログでは、20種類の金属とその特性、射出成形、CNC機械加工、金型製造における用途について説明します。あなたのプロジェクトが大量生産であれ、特注品であれ、これらの金属の特性を知ることは、材料を選択する際の判断材料となるでしょう。
さまざまな種類の金属材料の特徴
1. ステンレス鋼
ステンレス鋼は、鉄、クロム、その他の元素の合金であり、腐食や汚れに強いという特長がある。耐久性と強度に優れ、高湿度下でも酸化や錆に対する抵抗力があります。また、お手入れも簡単なので、食品衛生用途に最適です。また、ステンレス鋼は極度の熱や高圧環境にも耐えることができるため、多くの産業で汎用性があります。
この記事では、特に食品加工に携わる製造業者向けの大量生産金型（一定時間内に数十万個の部品を生産する金型）に焦点を当てています。ステンレス鋼の耐食性は、清潔さと頑丈さが必要とされる食品や関連分野のような産業で射出成形金型を製造する上で非常に重要です。ステンレス鋼は、機械部品、工具、さらには手術器具にも応用されています。
2. アルミニウム
アルミニウムは、その軽量性、高い強度対重量比、優れた耐食性のおかげで、最も一般的に使用される金属の一つです。機械加工と成形が容易なため、細部と精度が最も重要な金型によく使用されます。熱伝導性と電気伝導性が非常に高いため、アルミニウムは放熱用途に最適です。
アルミニウムは、試作品や少量生産を目的とした金型製作によく使われる材料である。比較的安価で、機械加工も容易である。アルミ金型は、軽量で高精度の部品が必要とされる自動車、航空宇宙、消費財産業で一般的に好まれている。また、電子機器、HVACシステム、効果的な放熱を必要とする部品などの生産にも使用されている。
3. 炭素鋼
充填材は炭素鋼で、鋼の主な合金元素である。低炭素鋼、中炭素鋼、高炭素鋼も存在し、鋼に含まれる炭素の量によって区分される。それぞれ硬度、延性、強度などの特性が異なる。炭素鋼は高耐久性、低コスト、優れた引張強度を持ち、重荷重用途に最適です。
炭素鋼は通常、高強度工具やその他の部品に使用される。また、工具鋼のような高い耐摩耗性は求め られないが、靭性が要求される大量生産用の金型に もよく使用される。自動車、製造業、建設業でも炭素鋼の金型が定期的に使用されています。
4. 工具鋼
炭素鋼と合金鋼があり、その硬化状態は一般的に工具に使用されるため、工具鋼と呼ばれる。その機械的特性は熱処理によって改善されることが多い。特に、耐摩耗性、靭性、鋭利な刃先の耐圧性が重要な成形工具、金型、ダイス用に作られる。さらに、熱疲労に強いため、さまざまな加熱・冷却サイクルを繰り返す金型に最適な材料である。
工具鋼は、射出成形、ダイカスト、スタンピングなどの金型でパーリングを形成するのに不可欠です。工具鋼の鋼種にはD2、H13、A2などがあり、耐久性と精度が最も重要視される自動車、航空宇宙、精密製造業で一般的に使用されています。
5. 真鍮
銅と亜鉛の合金である黄銅は、強度、耐食性、美観を独自にブレンドしています。機械加工性に優れ、電気伝導性が高く、錆や腐食に強い。また、真鍮は黄金色に輝くことから、装飾や機能的な用途にも使用されています。
真鍮は、複雑なデザインと優れた耐摩耗性を必要とする部品の金型製作の複合成形に広く使われています。銅の最も一般的な用途は、自動車や電子機器などの産業における電気コネクター、継手、部品や、宝飾品、配管、金物などの配線用装飾ハウジングなどです。
6. 銅
銅は延性があり、可鍛性のある金属で、熱伝導性と電気伝導性が高い。耐食性にも優れ、湿気や空気、酸の影響にも強い。成形や溶接が容易で、銅は多くの製造用途に適した素材です。赤褐色の色合いと天然の抗菌性を持つ竹は、健康志向の用途でも魅力的です。
銅は、電気部品、熱交換器、精密金型など、素早い熱伝導が要求される部品によく使われます。また、銅は放熱性が高いため、電子機器や自動車産業など、急速に冷却できることが重要な産業でも重宝されています。
7. ブロンズ
ブロンズは銅と錫の合金で、他の合金よりも耐食性に優れ、特に海洋環境ではその特性を発揮します。純銅よりも頑丈で硬いが、非常に加工しやすい。加えて、ブロンズは耐摩耗性に優れ、摩擦が少ないため、長時間の使用が求められる可動部にも使用されています。
青銅はベアリング、ギア、ブッシングのような高摩耗用途に使用される。また、絶え間ない磨耗に直面したり、極端な環境条件に耐える必要がある高性能部品を製造するための金型製造にも使用される。青銅は、航空宇宙産業、自動車産業、工業産業でよく使用される。
8. チタン
チタンは、高い比強度と優れた耐腐食性・耐高温劣化性を持つ堅牢な金属です。金属の中で最も優れた強度対重量比を持ち、重量を重視する用途に最適です。密度が低いため、航空宇宙用途に有用です。一方、塩水や化学薬品に対する耐食性が高いため、過酷な条件にさらされることが多いあらゆる産業で有用です。
航空宇宙、医療、高性能製造に使用。チタンは、航空宇宙部品製造、医療機器、その他の高性能自動車部品など、高温・高圧が存在する金型製造に利用されます。これは、余分な材料の重量を伴わずに強度を必要とする金型に特に有効です。
9. ニッケル
ニッケルは無臭の銀白色の金属元素で、高い延性、耐食性、高温安定性を持つ。融点が高いため、高熱環境に適しています。ニッケル合金は、その耐酸化性と耐摩耗性、そして極限環境や産業環境での性能で有名です。
ニッケルは、高応力、高温の金型製作および工具用途で一般的に使用されます。このような付加加工は、厳しい摩耗や高温に耐える金型や工具が必要な航空宇宙、化学、エネルギー製造分野で頻繁に利用されています。ニッケルは、海洋および化学処理用途の耐腐食性部品の製造にも不可欠です。
10. 亜鉛
柔らかく、可鍛性のある金属で、耐食性に優れ、湿気や大気にさらされる用途に使用される場合には好ましい特性である。鋳造や成形が容易で、ダイカストでその有用性を発揮します。亜鉛の融点は比較的低いため、迅速な生産サイクルが可能です。
亜鉛ダイカスト部品の例としては、アルミダイカスト、エンジン部品、電気コネクター、消費者製品などのダイカストに使用されます。このため、ザマックや亜鉛合金は大量生産の金型に広く使用されています。自動車、エレクトロニクス、建設産業など、幅広い用途で使用されている。
11. モリブデン
モリブデンは、非常に高い加工温度でも硬度を維持し、優れた耐食性を持つ緻密な金属である。合金鋼と超合金の主な使用は、耐熱性と耐摩耗性の面で最終製品をかなり大幅に向上させます。また、高応力環境下での疲労や耐久性にも優れている。
モリブデンは、主に航空宇宙、自動車、エネルギー産業において、極度の熱と強度を必要とする部品に使用されています。タービンブレード、発熱体、重機械など、高温や腐食環境に耐える必要のある部品の金型製造によく使用されます。
12. タングステン
最も重く、最も融点の高い金属のひとつであるタングステンは、耐熱性と耐摩耗性に優れています。非常に硬く密度が高いので、耐摩耗性と高温が要求される幅広い用途があります。タングステンは耐食性にも優れていますが、特定の条件下では脆くなることがあります。
タングステンは、特に航空宇宙、軍事、重機産業において、高性能金型、切削工具、耐摩耗部品の加工に広く使用されています。それは、従来の金属は単にあまりにも早く磨耗してしまう高摩耗と高熱金型製造アプリケーションでの使用に適しています。
13. インコネル
インコネルは、ニッケルとクロムから作られる一連の超合金である。インコネルは、熱にさらされることで強度を増し、耐酸化性に優れているため、極端な高温、高圧、腐食性の環境下で非常に高い生産性を発揮する。また、インコネルは高温でも高い強度を保ちます。
インコネルを使用する産業には、航空宇宙、化学処理、発電などがある。インコネルは、エンジンのタービンブレード、排気システム、その他要求の厳しい部品など、高温環境下で作動しなければならない部品を製造するための金型製造に一般的に使用されている。
14. 高速度鋼（HSS）
高速度鋼は工具鋼の一種で、高温で使用しても硬度と切れ刃を維持できるように設計されている。特に高速で効率的な切削で知られ、高性能の切削・成形工具や金型によく使用される。
ハイスは、金型の精密加工をはじめ、切削工具、ドリルビット、工作機械などに広く使用されています。自動車、航空宇宙、金属加工、製造業など、CNC加工を急ぐ場合に最適です。
15. 鋳鉄
鋳鉄は、鉄、炭素、ケイ素からなる堅牢な金属材料である。その優れた鋳造特性により、複雑な形状に使用される。また、耐摩耗性に優れ、変形しにくいが、衝撃で粉々になることもある。
鋳鉄の金型は、重機部品、エンジンブロック、パイプなど、高い強度と耐摩耗性を必要とする部品の製造に使用される。自動車、建設、機械製造は、鋳鉄を使用する一般的な産業である。
16. 鍛造鋼
どちらも鋼を溶融点まで加熱し、鋳型に流し込んで固めたものだが、鍛造鋼は熱と圧力を加えて鋼を曲げ、鋳造鋼よりも強度を高めて固めたものである。そのため、疲労や応力に強く、引張強度が高い。鍛造鋼は極端な力にも対応できるため、高負荷や高応力の環境にある部品に最適です。
これは、工具製造、金型製造、機械・重機械用部品などの高応力用途で使用される。弾力性があるため、自動車や航空宇宙産業の金型に適している。
17. ジュラルミン
ジュラルミンはアルミニウムに銅を加えた軽量合金で、純アルミニウムよりも強度が高い。耐食性に優れ、耐久性に優れていますが、他のほとんどの金属よりも軽量です。そのため、強度を犠牲にすることなく、重量を重視する用途に非常に人気があります。
ジュラルミンは、航空宇宙や軍事技術者の間で、操作機器や構造的な正直さのために一般的に出現している。金型製作では、家電製品や自動車部品の金型のように高い強度を必要とする軽量金型に利用されている。
18. ステンレス鋼 17-4 PH
17-4PH、ステンレス鋼17-4 PHは析出硬化型の貴腐鋼で、優れた機械的性質と耐食性を備え、加工も容易です。強度と耐食性に優れ、要求の厳しい用途に多く使用されています。
17-4PHステンレス鋼は、航空宇宙、化学処理、高応力の金型用途に使用され、疲労や過酷な環境での取り扱いに広く使用されています。精密金型や金型製作によく使用されます。
19. 合金鋼
合金鋼は、クロム、ニッケル、バナジウムなどの合金元素を添加して機械的特性をさらに向上させます。これらの元素は鋼の焼入れ性、靭性、耐腐食性、耐摩耗性を向上させます。合金鋼は、高応力、過酷な条件、および無数のエンジニアリング用途に適していることで有名です。
重荷重金型に高抵抗鋼を使用するのが好ましくない場合は、合金鋼を使用する方がよい。これは特に、建設、自動車、航空宇宙産業など、工具や金型に大きな負荷がかかる場合に当てはまります。
20. 鉛フリー鋼
鉛フリー鋼は、従来の鉛含有鋼に代わる、環境に配慮した鋼である。多くの機械的特性（強度、硬度、靭性など）は同じですが、通常の鋼鉄よりもはるかに安全で持続可能です。
鉛フリー鋼は、自動車部品、金型設計、機械など数多くの産業活動に使用されています。特に環境法の強化が必要なプロジェクトに有用です。
射出成形金型に使用される金属の化学的性質
| メタル・タイプ | メリット | おおよその価格帯（1kgあたり） | 産業用途 | 化学的性質 |
| ステンレス鋼（例：420、440C、H13） | – 優れた耐食性 – 高い耐久性 – 高温でも硬度を維持 – 大量生産、高精度金型に最適 | $8 – $15 | 自動車、医療、消費財 耐食性に優れ、長寿命で高精度な金型の製造に使用される。 | 組成： 鉄（Fe）、クロム（Cr）（12～18％）、ニッケル（Ni）（6～10％）、モリブデン（Mo）（2～3％）。 特性 高耐食性、磁気特性、良好な溶接性、熱処理によって硬化させることができる。 |
| アルミニウム（7075、6061など） | – 軽量 – 優れた熱伝導性 – 試作金型や少量生産金型に最適なコスト効率 – 機械加工が容易 | $4 – $7 | 試作成形、家電、自動車 特にプロトタイピングや小ロット生産において、迅速で低コストの金型製作に適しています。 | 組成 アルミニウム（Al）（90-98%）、シリコン（Si）（0.4-0.8%）、マグネシウム（Mg）（1.2-1.8%）、銅（Cu）（0.2-0.4%）。 特性 軽量、高熱伝導性、耐食性、高強度重量比。 |
| 炭素鋼（例：1045、P20） | – 高い引張強度 – コストパフォーマンスが高い – 優れた耐摩耗性 – 少量から中量の金型に適している | $2 – $5 | 一般製造、包装、自動車 大量生産および少量から中量のアプリケーションで一般的。 | 組成 鉄（Fe）、炭素（C）（0.45％）、マンガン（Mn）（0.6～0.9％）、ケイ素（Si）（0.1～0.4％）。 特性： 高強度、耐食性は比較的低く、熱処理により硬度を増すことができる。 |
| 工具鋼（H13、D2、S7など） | – 優れた耐摩耗性 – 高温での硬度保持 – 高精度の金型や工具に最適 | $12 – $25 | 自動車、航空宇宙、医療機器 強度と耐熱性、耐摩耗性が要求される耐久性のある高精度の金型に使用される。 | 組成 鉄（Fe）、炭素（C）（0.5～1.5％）、クロム（Cr）（5～12％）、バナジウム（V）（0.5～2％）、モリブデン（Mo）（0.3～2％）。 特性： 高い硬度、耐摩耗性、靭性、特に熱処理後。 |
| 真鍮（例：C36000） | – 優れた加工性 – 優れた耐食性 – 美しい仕上げ – 小さく複雑な金型に最適 | $7 – $12 | 消費財、装飾品、電気部品 電子機器や装飾品など、複雑なディテールと滑らかな仕上げを必要とする金型に最適。 | 組成 銅(Cu) (60-90%)、亜鉛(Zn) (10-40%)、切削加工性のために少量の鉛(Pb)。 特性 高い被削性、耐食性、良好な導電性、魅力的な黄金色。 |
| 銅（例：C10100） | – 優れた熱伝導性 – 優れた耐食性 – 高い被削性 | $8 – $15 | エレクトロニクス、自動車、航空宇宙 急速な放熱が必要な金型、特に電子部品の高精度成形に使用される。 | 組成 銅（Cu）（純度99．） 特性 優れた熱伝導性、電気伝導性、耐食性、優れた切削性。 |
| ブロンズ（例：C93200） | – 高い耐摩耗性 – 低摩擦 – 優れた耐食性 | $8 – $18 | 航空宇宙、自動車、産業機器 優れた耐摩耗性と低摩擦を必要とする高性能用途によく使用される。 | 組成 銅（Cu）（85-90%）、錫（Sn）（5-7%）、鉛（Pb）（5-7%）。 特性： 高強度、良好な耐食性、低摩擦特性。 |
| ニッケル合金（インコネル718など） | – 高い耐酸化性と耐熱性 – 高温での優れた強度 | $50 – $120 | 航空宇宙、発電、高温用途 航空宇宙産業や発電産業など、高ストレス・高熱環境にさらされる金型に使用される。 | 組成 ニッケル（Ni）（50～60％）、クロム（Cr）（17～21％）、鉄（Fe）、モリブデン（Mo）（3～5％）、チタン（Ti）（0.9～1.3％）。 特性 卓越した高温強度、耐酸化性、耐食性。 |
| 亜鉛合金（ザマックなど） | – 低融点 – 高い流動性 – 大量生産に適したコストパフォーマンス | $3 – $5 | 自動車、家電、家庭用品 詳細で複雑な形状の大量生産、低コスト金型用途に最適です。 | 組成 亜鉛（Zn）（95-99%）、アルミニウム（Al）（0.5-4%）、銅（Cu）（0.5%）、マグネシウム（Mg）（0.03%）。 特性 低融点、優れた流動性、良好な耐食性。 |
| 鍛造鋼（4140など） | – 高い靭性 – 優れた耐疲労性 – 高応力用途に最適 | $6 – $12 | 自動車、重機、軍事 過酷な応力や圧力にさらされる金型によく使用される。 | 組成 鉄（Fe）、炭素（C）（0.38-0.43%）、クロム（Cr）（0.8-1.1%）、モリブデン（Mo）（0.15-0.25%）、マンガン（Mn）（0.75-1.0%）。 特性： 高い靭性、良好な耐疲労性、硬度。 |
| 合金鋼（4340など） | – 硬度と靭性の向上 – 耐食性 – 頑丈な工具や金型に最適 | $6 – $10 | 自動車、航空宇宙、軍事 高い強度と耐摩耗性を必要とする用途の金型製造に使用される。 | 組成 鉄（Fe）、炭素（C）（0.38～0.43％）、クロム（Cr）（0.7～0.9％）、ニッケル（Ni）（1.6～2.0％）、モリブデン（Mo）（0.2～0.3％）。 特性 高い引張強さ、良好な耐衝撃性、優れた耐摩耗性。 |
化学的性質の説明：
鉄（Fe）： ほとんどの金属に含まれる主要元素で、強度と耐久性をもたらす。
クロム（Cr）： 耐食性、硬度、耐摩耗性を高める。不動態化層を含む（ステンレス鋼で一般的）
ニッケル（Ni）： 強度、靭性、耐食性をもたらす。インコネルなどの高温合金に多く含まれる。
銅（Cu）： 優れた熱伝導性と電気伝導性で知られ、一部の高伝導性金型に使用されている。
軽量、耐食性、優れた熱伝導性。6061のような薄肉構造に見られる。
錫（Sn）： 青銅に使用され、耐食性を高め、強度を向上させる。
モリブデン（Mo）： 鋼の耐熱性と耐摩耗性を向上させる。
マグネシウム（Mg）： 強度重量比を高め、亜鉛やアルミニウムなどの合金に使用される。
加工と生産における金属の種類の一般的な選択
金型製造工程に最適な金属の種類を選ぶ際には、考慮すべき点がいくつかある：
頑丈さが求められる：
- 重い金型には、大きな圧力下での強度と靭性から、通常、工具鋼、合金鋼、高速度鋼が選ばれる。
耐食性：
- ステンレス鋼、青銅、インコネルなどの素材は、金型が攻撃的な環境にさらされる場合によく選ばれる。
耐熱性：
- チタン、タングステン、モリブデンは高温金型に適した材料である。
機械加工性：
- アルミニウム、真鍮、銅などの金属も、機械加工や成形が容易なため、頻繁に使用される。
コストを考慮する：
- 亜鉛、アルミニウム、無鉛鋼は、性能は必要だがコスト構造は必要という場合に、大量生産に適した選択肢である。
一般的な成形用金属の種類のまとめ
- 試作と 少量生産に：アルミニウムは最もコスト効率が高く、加工性と熱伝導性に優れています。特に自動車、電子機器、消費財の分野で、試作品や少量生産によく使用されています。
- 高精度で高温の用途に： 工具鋼（H13、D2など）やステンレス鋼が一般的な選択肢です。これらの材料は、繰り返しの使用や高温に耐える高精度で耐久性のある金型用として、航空宇宙、自動車、医療機器産業で一般的に使用されています。
- 高摩耗・耐応力金型用： ニッケル合金（インコネル718など）や鍛造鋼は、航空宇宙分野や発電分野など、極度の摩耗や疲労、高温に耐える必要のある金型によく選択されます。
- 大量生産、詳細な金型用： 亜鉛合金（ザマックなど）は、特に自動車、家電、家庭用品業界など、細部まで仕上げが必要な量産金型に広く使用されています。
金属の種類についてよくある10の質問
Q1：金型製造に使用する金属材料は何を考えていますか？
- 強度、耐食性、加工性、耐熱性、コストを評価する。この用途では冶金学が要求され、高応力工具には工具鋼のような金属、ステンレス鋼には耐食性金型が使用される。
Q2: アルミニウムで射出成形は可能ですか？
- アルミニウムは、軽量で機械加工が可能で、適度な温度を持つ材料として、射出成形で一般的に使用されている。
Q3: 高温用の金型を作るのに最も適した金属は？
- 耐熱性から、チタン、インコネル、タングステンなどが高温金型に適している。
Q4: 銅は金型に適していますか？
- そう、銅は熱伝導性が重要な電極などの金型にも使われ、電子機器や精密部品の金型に適しています。
Q5: 大量生産用の金型として、最もコストの安い金属は何ですか？
- 亜鉛とアルミニウムは、商業的に最も経済的な金属であり、ダイカストや射出成形を含む多くの工程で使用されている。
Q6: 高精度射出成形金型に使用される最高の材料はどれですか？
- H13やD2のような工具鋼は、高温で硬く、耐摩耗性に優れているため、高精度の金型に最も適していると考えられている。
Q7: 少量生産の金型で最も経済的な金属は何ですか？
- アルミニウムはコストが安いため、少量生産に適した材料だが、機械加工も比較的容易である。
Q8: 黄銅は多くの材料より強度が高いが、高応力用途では避けるべきである。
- 真鍮は応力の大きい用途には向いていません。高い応力を受ける金型よりも、摩耗の少ない装飾的で複雑な金型に適しています。
Q9: 亜鉛を大量の金型に入れておく理由は何ですか？
- そのため、亜鉛は融点が低く、流動性に優れ、細部の再現性が高いことから、大量生産用の金型に使用され、迅速でコスト効率の高い生産サイクルを可能にしている。
Q10: 航空宇宙用金型に適した材料は何ですか？
- ニッケル合金（インコネル）と高性能工具鋼は、その高温硬度、強度、大きな応力に対する耐性により、航空宇宙用金型に最適な候補である。
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