まず初めに知っておきたい金属材料のいろは① ～材料・加工方法の基礎知識～

この記事では、金属の材料・加工方法の基礎知識について解説します。皆さんが設計・試作する「製品」は、数多くの部品・ユニットから構成され、期待される機能を果たすものです。どのような分野の製品でも、最適とする材料が選択された後、加工されて最終的な製品の形状に仕上げられます。すなわち、ものづくりには、材料の特性や加工技術を理解した上での「材料選定」が重要なのです。

金属材料の選定を行なう際に、押さえておくべきポイントは下記4つです。

(a) 金属材料にはどのようなものがあるのか
(b) それぞれの金属材料がどのような性質を持っているのか
(c) それぞれの金属材料の持つ性質が加工方法や処理方法によってどのように変わるか
(d) 多くの金属材料の中から目的に適したものを選択するにはどうすべきか

まず、本記事では、上記(a)から(c)に関わる内容であり、金属材料において適用すべき最適材料と有効な加工方法を選定する際に必要な基礎知識を紹介します。

以下の記事では、金属材料を選定する際に押さえておくべきポイントや、実際にどのような用途で金属材料が使われているのかをまとめています。こちらも合わせてご参考下さい。

金属材料とその諸特性は日本工業規格(JIS)を検索することによって知ることができます。JIS規格は、材料の標準化と適正品質の確保のために規定されたものです。鉄鋼・非鉄金属材料の種類や成分のJIS規格、機械材料の分野で材料強度など機械的性質を調べる試験法を定めるJIS規格、材料の結晶粒度の測定法を定めるJIS規格等々があり詳細に規定されています。この規格を通じて機械設計者、製造者、製品の利用者の三者の相互理解ができるため、極めて有益な情報になります。

代表的な金属材料とその適応先を以下に示します。＜表1＞＜表2＞
下表は、①材料名称、②JIS表記（日本工業規格）、③どんなところに使われているのか（適用先）、について纏められています。

モノを造るには素材を変形する必要があり、金属材料の変形手段としては、下記4つの方法が知られています。

(a) 熱を加えて溶融する
(b) 化学的に溶かす／くっつける
(c) 力を加えて形を変える
(d) 原子あるいは分子状態にして加工する

例えば、「切削」「研削」などの除去加工と塑性加工は、もっとも多用されている加工方法であり、上記(c)に相当します。この「力を加えて形を変える」ためには、モノ（材料）が力によって形が変わることが必要です。元の形が変わるには、「壊れる」場合と「変形する」場合があり、後者の性質を材料の「変形能(Deformability)」、あるいは「延性(Ductility)」と言います。金属材料が有するこの特質を生かした加工が「塑性加工(Plastic working)」であり、この性質を有していることが工業材として金属が多用されている理由になります。

多くの加工方法が存在するなか、どの加工方法を選択するかは、ものづくり、ひいては工業生産を計画する際に重要になってきます。例えば、円筒形のカップを製造する場合を考えてみましょう。考えられる方法としては、①丸棒などの塊から切削する、②鋳造する、③塑性加工する、④円筒と円盤を溶接する、など様々な加工方法(手段)が考えられます。その際に使用される工具・装置に関しても、①切削を例にとっても使用する機械は旋盤であったり、フライス盤であったりと様々です。そして、塑性加工においても、(i)板をプレス加工(成形)する、(ii)鍛造(押出し)で造る、(iii)円盤をスピニングする、など同様に複数の加工方法が考えられるのです。
こうした加工方法の選択は、どのような機能を有する「カップ」を、どれだけの数製作するかによって、材料の選定とともに決定されるものになります。

設計者は、使用環境・条件を把握し、安価、短納期でかつ安全性・信頼性の高い製品を設計する必要があります。設計が終われば、材料や部品を調達し、その後機械加工、組み立て、製品検査を行なう流れとなります。通常ある技術者が、設計から製作まで一人で行うことは少ないので、試作仕様ならびにコンセプトなどを的確に協力者に伝える必要があります。また、設計段階にて、「材料」だけでなく「加工方法」や「熱処理」などのプロセスをふまえた最終的な部品・部材の特性も押さえておく必要があります。

ここでは、金属の材料・加工方法の基礎知識について解説しました。他の記事では、鉄鋼材料、非鉄材料に焦点を当て、それぞれの種類や特徴、用途などをまとめています。そちらも合わせてご参考下さい。