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金属パーツの材料選定と製造方法

<軟質>と<硬質>それぞれの材料特性を理解する

一番近い公園または野球場まで散歩にでかけて、あたりを見渡してください。そこで見えるのは、たくさんの石や土だけではありません。明 らかになっているすべての金属は、地下で発見された鉱石や鉱物から取り出されたものです。製造業に携わる人にとって、足元の下に存在する すべての材料は、この社会を揺り動かすものです。

元素周期表を見てみると、水素、酸素、アルゴンなど、気体は溶接者やネオンサインメーカーにとって重要です。ケイ素とゲルマニウムがな ければ、半導体メーカーは成り立ちません。鉛とクリプトンは照明メーカーにとって重要です。

希土類と希ガスの間にあるのは金属です。アルミニウム、チタニウム、鉄、ニッケルは、現代社会の必須要素です。地殻に閉じ込められた原 材料や、その原材料を取り出して各種合金に加工する技術がなければ、人間は今でも草の小屋で暮らし、木製のこん棒で獲物を追っていること でしょう。

 

 プロトラブズの製造サービスでは、幅広い金属を使用しています。この金属は、硬質と軟質に分類することができます。鋼鉄やステ ンレス鋼 などの金属と、真鍮、アルミニウムなどの金属です。(プロトラブズ米国工場のみ、銅、マグネシウムを使用)最後のアルミニウムは、地殻中 に最も多く存在する金属であり、地殻を構成する元素の中で、酸素、ケイ素に次いで3番目に多く、重量比では8%ですが、多くがボーキサイ トなどの鉱石から取り出されるので、単体として存在することはほとんどありません。

 

軟質金属:アルミニウム、マグネシウム、真鍮、銅

元素アルミニウムは、軟質で非常に可鍛性があるので、機械的用途には向いていません。そこで、通常、ケイ素、銅、マグネシウム、亜鉛な どの元素を加えて、熱処理すると、軽くて強度のある合金になります。今日、機体や自動車、各種消費財に使用されています。

 

プロトラブズの切削加工サービスでは、A5052-H112、A6061-T651とA7075-T651の3種類のアルミニウムから パーツを製造します。HとT番号は、材料の質別を示しています。T651の場合、残留応力を除去するために熱処理後、機械的に1~3% 引っ張ることで、切削加工時の安定性を高めています。アルミニウムA6061は、マグネシウムとケイ素を混ぜた合金で、鍛造品では、降伏 強度(耐力)が275MPa以上になります。耐食性に優れ、適切な設備であれば溶接も可能です。そのため、機械類の構造用部品、油圧バル ブ本体、船舶や自動車の部品などの低疲労用途や、強くて軽い材料を必要とするものならほとんどの用途に理想的です。

 

Aluminum part turned on a lather with live tooling
旋盤加工のアルミニウム部品

アルミニウムA7075はA6061よりも硬くて強く、降伏強度はほぼ2倍です。A7075の主な合金化元素は、亜鉛、マグネシウ ム、銅です。米軍はA7075を数多くの銃器に使用しており、トップフューエル・ドラッグスターにはアルミニウム鍛造A7075製の コネクティングロッドが使用され、ボーイング社の航空機の翼桁にはA7075が使用されています。強靭な材料です。実際、A6061 が勝っているのは耐食性と、A7075製のパーツよりもほんの少し弾力性が必要なパーツの場合のみです。どちらの材料も切削加工が簡 単です。

その他によく利用される軽い材料は、マグネシウムです。地殻構成物質の中で4番目に豊富な元素です。A6061の3分の2の重量 で、強さはほぼ同じです。すべての構造用金属の中で最も軽量です。カメラや携帯電話の本体、電動工具のフレーム、ノートパソコンの シャーシなど、十分な強度と軽量さが重要な場合にマグネシウムが推奨されます。自動車メーカーは、燃費向上の取り組みにおいて、トラ ンスミッションケース、シートフレーム、インテークマニホールドにマグネシウムをフル活用しています。

 

Magnesium thixomolded part with rough surface
二次加工前のチクソモールディングによるマグネシウム合金の射出成形パーツ

マグネシウム合金の添加元素として最も基本的なものはアルミニウムと亜鉛です。振動吸収性や切削性に優れ、成形やダイカストが容易 です。たとえば、プロトラブズ米国工場では、マグネシウム合金AZ31-Bでパーツを切削加工しています。
マグネシウムには、腐食しやすいほか、高温では強度が低下するという弱点があります。それでも、フォルクスワーゲン社は、ビートルの 空冷エンジンのクランクケースにマグネシウムを50年以上にわたって使用していました。価格に関しては、アルミニウムより高価です が、マグネシウム部品は製造が比較的容易なことから、その差分はほぼ相殺されます。

Machined copper part for use in aerospace
航空宇宙分野向け銅の切削加工パーツ

軟質金属の締めくくりは、真鍮と銅です。見た目がよく似ています。真鍮は銅よりはるかに幅広い用途に使用できます。アンモニアや一 部の酸が多い環境を除き、真鍮は耐候性と耐食性に非常に優れています。自動車のラジエーターを交換したり、台所の蛇口を取り付けた り、フレンチホルンを吹いたことがあるなら、真鍮の部品を扱っています。プロトラブズ米国工場で対応している真鍮C260は、銅が 70%、亜鉛が30%の合金で、銅合金の中でも最も使用量が多いと考えられています。真鍮には数十のグレードがありますが、すべて微 妙な違いがあり、用途はそれぞれはっきりと異なります。銅の割合を、数%減らすと、リベットやねじに適切な真鍮になります。もう少し 減らして、鉄を少し加えると、ドアや窓の飾り枠、船底のライニングにふさわしい六四黄銅(ムンツメタル)になります。

加工オペレーターにとって、真鍮はそのままで、十分扱い易い材料です。冷却液の使用は任意ですが、工具の寿命は並外れており切削速 度はかなり速いです。軟鋼に匹敵する引張強度を持ちます。皮肉なことに、銅はまったく異なります。銅は真鍮の主成分ですが、純銅の機 械加工性は、約5倍劣り、銅の強靱性と粘性を理由に、最も忍耐強い加工オペレーターでさえも銅を避けます。銅チップを切断するのは不 可能に近く、銅の熱伝導率は高いので、切削加工中にたちまち熱くなります。銅は、電気伝導率では銀に次いで2番目です。この特性に よって、現在使用されている最も重要な金属の1つになっています。基本的に、銅(およびアルミニウム)配線 によって電気が利用できる のです。
元素銅は、自然界に存在するので、1千年前、人間はまず銅をたたいて硬貨や刃物類を作り始めました。今日、銅は570を超えるさまざ まな金属合金に含まれています。真鍮もそうした金属合金の1つです。テルル銅、ニッケル銅、青銅、砲金、アルミニウム合金、合金鋼な ど、まだまだあります。銅は放電加工(EDM)の電極にも使用することができます。EDMは、射出成形や金属のプレス加工でよく活用 される技術です。現代社会では、銅はまさしく金属の王です。

A cylindrical brass component turned on a lathe
旋盤加工の真鍮部品

 

硬質金属:鋼鉄、ステンレス鋼、インコネル、クロム、チタニウム

現代社会では、硬質金属も必要になります。鋼鉄は、自動車、クルーズ船、ケーブル、自在スパナなど、ありとあらゆるものに使用され ています。合金系に関わらず、鋼鉄は鉄を主原料としています。鉄の精錬や鋼鉄の限定的な製造は何千年もの間行われていました。しか し、19世紀中期にベッセマー製鋼法が発明されて初めて、高品質の鋼鉄の大量生産が可能になりました。こうして産業革命が始まりまし た。
軟質金属と同様に、少量の合金化元素で鋼鉄の特性に驚くほどの効果をもたらすことが可能です。1%未満の炭素とマンガンを加えて、冶 金術もほんの少し利用すれば、脆い鉄が強靭な低炭素鋼CR1018(S17C相当)になります。航空機向け合金鋼 4140(SCM440相当)は、クロムとモリブデンを等しく少量混ぜた合金です。

A stainless steel gear before and after bead blasting
ビーズブラスト前後のステンレス鋼のギア

以下のような炭素鋼は、ある程度は硬くすることが可能で、簡単に溶接することができますが、1つだけ問題があります。炭素鋼は錆び ます。炭素鋼を使う、ほぼすべての用途でメッキと塗装が必要になります。錆を止めることはできません。そこで、冶金家はステンレス鋼 を開発しました。クロムの量を10.5%以上にすると、耐食性が大きく向上します。ステンレス鋼は、化学工業や繊維加工、海洋用途で 幅広く使用されています。さらに多くのステンレス鋼が耐候性に優れ、1,482℃を超える温度でも耐えることができます。この温度で は、アルミニウム、真鍮、銅は溶けてしまいます。たとえば、316ステンレス鋼は、熱交換器に適しており、 通常、蒸気タービンや排気 マニホールドに使用されています。

Complex titanium prototype built by DMLS.
直接金属レーザー焼結(DMLS)で製作した複雑なチタニウムの試作パーツ

プロトラブズが提供する300シリーズステンレス鋼には、20%以上のクロムとかなりの量のニッケルが含まれており、切削加工がさ らに難しくなります。それでも、このステンレス鋼は広く使われており、主な用途は、医療機器、真空容器や圧力容器、食品・飲料製造設 備です。300シリーズステンレス鋼は、非常に強靭ですが、炭素鋼のようには硬くすることはできません。用途によって硬度が必要な場 合は、17-4 PHステンレス鋼で強度を上げることを検討してみてください。
この非常に強靭で幅広い用途に使用可能な材料は、ニッケル、クロム、銅を含んでいます。ステンレス鋼族の一部とみなされていますが、 焼きなまし状態での機械加工性は、超合金状態に近くなります。熱処理されると、硬度は45 HRC、引張強度は、炭素鋼の3倍の1,034MPa以上に簡単に達します。最も一般に使用されるのは、医療、航空宇宙、原子力産業ほか、高強度と優れた耐食性の組み合わ せが必要とされる、あらゆる分野です。

非常に強靭な合金を求めているのなら、コバルトクロムやインコネルが良いかもしれません。プロトラブズ米国工場では、このような材 料での切削加工には対応しておりませんが、積層造形(3Dプリンティング)サービスのプロセスであるDMLS(Direct Metal Laser Sintering、直接金属レーザー焼結)を使用して、コバルトクロムやインコネルの焼結を承っています。各材料には独自の高性能特性があります。
インコネルには、ニッケルが50%以上含まれており、一定範囲の温度で優れた強度を持ちます。ガスタービン翼、ジェットエンジン用コ ンプレッサーディスク、さらには原子炉やジェットエンジンの燃焼室などの特殊なニーズに用いられています。ニッケル含有量が多いの で、インコネルは最も切削加工の困難な合金の1つに分類されており、耐摩耗性のコーティング超硬の精密な加工工具が必要になります。 元素周期表でニッケルのすぐ隣にあるのがコバルトです。コバルトは、コバルトクロム合金の主成分です。コバルトクロム合金は、優れた 耐摩耗性と生体親和性で知られており、歯科インプラント、人工股・膝関節、動脈ステントに適しています。
最後は、チタニウムです。この軽量な元素に、アルミニウムとバナジウムを混ぜて合金にすると、強くて、耐食性のある材料になります。 コバルトクロム同様チタニウムも生体親和性があり、骨ねじ、ピン、プレートに広く用いられています。その引張強度は、軟鋼のほぼ2倍 ですが、重さは半分です。そのため、チタニウムは航空宇宙産業や高性能自動車メーカーにとって魅力的な材料となっています。

切削加工:金属製造の基礎

金属はどれも成形する方法がなければ価値がありません。この中で中心となるのは、切削加工です。これは、鋼鉄の加工と足並みを揃え て進化しました。過去150年にわたって、加工工具は粗削りな滑車や蒸気で動く装置から、今日のハイテク超精密CNC加工機まで進化 を遂げてきました。

 

プロトラブズでは、数々の加工工具を揃えています。ここで説明しました材料を使用して1個~200個程度のパーツの切削加工や旋盤 加工に対応しています。この中で中心となるのは、マシニングセンターです。エンドミルなどの切削工具を回転して材料を削ります。加工 対象物は、バイスまたは同様のクランプ装置に固定され、複数の軸方向へ切削工具を移動させ、複雑な形状を製作します。5軸のマシニン グセンターでは同時にすべての軸を使用して、人工膝やプロペラなどフリーフォームの形状も多方向から加工し製作することが可能です。

 

A row of CNC mills at Proto Labs

CNCマシニングセンター とCNC旋盤の内部

 

CNC旋盤は、チャックまたはコレットを使用して加工対象物を固定して回転させ旋削工具(バイト)で加工します。燭台一式ある いはガーデンホースの継手が必要なら、旋盤でこのようなパーツを簡単に製作可能です。プロトラブズが使用しているような複合旋盤 加工機では、回転工具や副軸を追加することで、旋盤を進化させることができます。その結果、かつての二次切削加工が不要になりま す。

3-axis CNC milling
図は一般的な3軸の切削加工プロセスを示しています。

 

鋳造と成形:金属パーツの量産

大量生産の場合、切削加工パーツは、通常、鋳造または成形プロセスへ移行されます。
MIM(Metal Injection Molding、金属粉末射出成形)プロセスでは、ニッケル鋼、316ステンレス鋼、17-4 PHまたはクロムモリブデンなどの金属粉末をワックスや熱可塑性樹脂からなるバインダーと混ぜ合わせます。正確な比率で混合された原材料を数百度で余熱処理します。射出成 形工法と同様に、高圧で金型内に射出します。

 

A metal injection molding sintering furnace
MIMで使用する焼結炉でまとまった数のパーツを加熱します

数秒後、取り出された成形物を脱脂炉に入れます。ここで、樹脂バインダーのほとんどを、硝酸を介して取り除きます。こ の時点では、未精製のパーツは多少壊れやすいので、慎重に取り出して焼結炉に入れます。ここで、原料材の溶融温度より少し低い温 度で加熱します。
MIMによって超高密度で、ニアネットシェイプのパーツを製作できます。収縮率は、推定±20%で、適切に設計されたパーツな ら、公差は±0.3ミリが可能です。加工対象物の形状は、MIMに適したものにしなければなりません。そうでないと、バインダー を取り除く工程や焼結の工程に耐えることができません。たとえば、小さなギアはMIMでの製造に向いていますが、ドーム型のパー ツはサポート材がないと車でひかれるよりも平らになってしまいます。適切なパーツと金型の設計は、同様にMIMの成功に不可欠で す。

Metal injection-molded parts during post-processing
MIM加工パーツは、超高密度になるまでに複数段階の工程を経ます

同様の工程で、チクソモールディングを使用して、マグネシウムパーツを製作 します。MIMと違って、バインダーや複数段階の工程を使用しません。代わりに、マグネシウムを不活性(通常はアルゴン)雰囲気中 で、半固体になるまで加熱し、金型内に射出します。射出工程では圧力を加えることで、粘性が低下するので、チクソモールディングによ るパーツは、ダイカスト部品に比べて薄肉で、精密成形が可能です。MIMで懸念される収縮や歪みがない、複雑な形状を作ることができ ます。

実を言うと、チクソモールディングには1つだけ制約があります。パーツの材料はマグネシウムのみです。多くの自動車や消費材への用 途を別にすれば、とにかく最適な材料であり、これによってチクソモールティングは軽量かつ正確でコスト効率の高いパーツにとって最高 の選択肢になっています。

3Dプリンティング:とても複雑になっているパーツ向け

ここまでに説明してきたどの方法でも製造できないパーツに関しては、積層造形プロセスの1つである、金属レーザー焼結(DMLS) があります。DMLSは他の製造工程では対応できない分野に果敢に進出しています。樹脂向けSLS(Selective Laser Sintering、粉末焼結積層造形。レーザーによってナイロンベースの粉末を溶融し、あらゆる形状に対応)と同じく、DMLSは アルミニウム、コバルトクロム、インコネル、ステンレス鋼、チタニウムなどの金属で同様の仕上がりを実現します。

Metal 3D printing machines at Proto Labs
プロトラブズで使用している金属レーザー焼結(DMLS)向け加工機

ほとんどの積層造形工程と同様、DMLSは、ケーキの層のように、下から層を重ねてパーツを製作します。3D CADモデルを、約0.03ミリの厚さの層にスライスし、レーザーを用いて金属粉末床に描画します。そして、同じ密度で粉末層を重ねていきます。レーザーが通過すると、金 属粒子が溶解して周囲の粒子と融合することで、同じ機械特性を持つ金属を製作することが可能です。このようにして数時間後完成パーツ が現れます。

DMLSでは、公差は通常、±0.08ミリ、パーツフィーチャーは、ピリオド(.)より小さいものが可能です。非常に 高温で加工されるので、造形中に加工対象物を支え、歪みを防ぐために小さなサポート材が必要になります。サポート材を取り除くた めに二次加工が必要です。さらに、鋳造と同程度に表面が粗くなる(約200-400 µin Ra)ので、研磨やマシニング加工など、何らかの二次処理が必要な場合もあります。

 

 

金属の二次加工法

二次加工は多くの製造工程で一般的です。金属パーツの場合は特にそうです。熱処理は、強度を高め、原材料加工や激しい切削加工中に 発生した内部応力を取り除くために行います。1018などの炭素鋼は、窒化や炭化によって、焼きを入れることが可能で、4140は、 焼入れ焼戻しの熱処理工法でよって、簡単に50 HRC以上に硬化できます。既に述べましたように、17-4 PHステンレス鋼は、一部の400シリーズステンレス鋼と同様、強度を高めることが可能です。しかし、300シリーズステンレス鋼は冷間加工や金型から取り出すことのみで 硬化させることができます。アルミニウムやマグネシウムなどの軟質金属は、低温で応力を除去したり、低温熱で劣化させることは可能で すが、硬くすることはできません。
表面処理も切削後の加工です。多くの場合、アルミニウムにはアルマイト(陽極酸化処理)をすることで、ほぼどんな色でも傷つきにくい 表面に仕上げます。非装飾用の場合は、化成皮膜処理(クロメート処理)が適切です。このような処理は、マグネシウムにも効果がありま すが、化学薬品は異なります。銅と真鍮は酸素にさらされると変色します。そのため、これを防ぐには、無電解ニッケルメッキまたはクロ ムメッキ処理を施します。ステンレス鋼と超合金にはそのような処理は不要ですが、鋼鉄には黒色酸化皮膜処理またはニッケル、カドミウ ム、亜鉛などの材料でメッキ処理をします。塗装も一般的な選択肢ですが、塗装前にきれいで錆びない表面にするために、ビーズブラスト など他の方法での研磨剤の使用を提案します。

A comparison between a part as-milled and bead blasted
切削加工のまま        ビーズブラスト仕上げ

プロトラブズの切削加工サービスでは、ビーズブラスト処理やタンブリング処理(プロトラブズ米国工場)を行って、DMLS加工パー ツ向けの積層造形サービスと同様に、切削加工した表面を滑らかな外観に仕上げます。ビーズブラストは、その名でわかるとおり、サンド やガラスビーズなどの粒子を高圧で吹き付けて、表面を仕上げます。タンブリングは、回転ドラムに入れた小さなセラミックメディアやプ ラスチックメディアを使用してバリの除去に効果を発揮します。

 

プロトラブズの材料と工程のつり合い

プロトラブズでは、お客様のパーツ製作ニーズに対応できるよう硬質金属と軟質金属を各種用意しております。鋼鉄、ステンレス鋼、ア ルミニウム、真鍮は国内工場でも対応しており、コバルトクロム、インコネル超合金、マグネシウム、銅は現在米国工場での対応となって おります。このような金属と、試作から小ロット生産のニーズに対応する各種切削加工プロセス、並びに金属レーザー焼結を用いれば、 CADモデルのほとんどをかたちにすることが可能です。

 

プロトラブズでは、熱可塑性樹脂とLSR(液状シリコーンゴム)の射出成形のほか、数多くの樹脂材料の切 削加工も承っています。ど んなプロジェクトでも、プロトラブズは、お客様のパーツ製作ニーズに合わせて、材料、工法、価格を提供します。詳細内容のご確認、ま たはお客様のプロジェクトのご相談につきましては以下よりお問い合わせください。

 

E-mail :customerservice@protolabs.co.jp  

TEL0120-2610-25 または046-203-9100