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機械設計エンジニアの基礎知識 | 設計・3DCAD・製図・金型等

アルミ、マグネシウムなどの非鉄金属

非鉄金属材料

鉄鋼材料以外の金属材料を総称して「非鉄金属材料」といいます。非鉄金属材料の特徴として、結晶構造(原子の配置) が「体心立方格子」、「面心立方格子」、「ちゅう蜜六方格子」のいずれかになっています。

 

《解説》
結晶構造(原子の配置)によって金属の特性が変わります。

 

 

体心立方格子・・・重心位置に原子があり変形しにくい (モリブデンなど)
面心立方格子・・・箱のような構造であり変形しやすい (アルミニウムなど)
ちゅう蜜六方格子 ・・・極めて変形しにくい (マグネシウム、チタンなど)
※原子の配置によって変形のしやすさが決まる

 

また、「固溶硬化」「時効硬化」かにも着目して考えると良いでしょう。

《解説》
固溶硬化とは
2種類以上の金属が溶け合い、相互作用により材料を強化する方法のことです。コーヒーと砂糖が溶け合っているイメージです。
時効硬化とは
時効硬化とは、時間とともに金属の性質が変化することを表しています。例えば金属を加熱して急冷後に常温で放置すると硬くなるような現象のことです。

 

非鉄金属材料の代表的なものは「銅合金」、「アルミニウム合金」、「チタン合金」、「マグネシウム合金」などがあります。

 

銅は工業用材料として最も歴史が古いものの一つであり、塑性加工が容易で腐食しにくいことから給排水配管などに使用されています。

 

一方で、チタンは精錬が難しく溶解鋳造も困難であったため、実用金属材料としては最も新しいものの一つです。アルミニウム合金やチタン合金は比強度に優れているので、航空機分野での適用が期待されています。マグネシウム合金は構造用の金属材料としてはもっとも軽く、鋳物として自動車にかなり利用されています。

 

その他の機械材料

機械材料は前述の金属材料だけではなく、「セラミックス」、「高分子材料」、「複合材料」 などがあります。

 

セラミックス材料は金属結合とは異なり、「イオン結合」 または 「共有結合」 から結晶が成り立ちます。

 

そのため、「耐熱性や破壊強度の大きさ」、「優れた硬さ」 が特徴となっています。セラミックスを機械部品として設計する際、部品の体積に応じて強度特性が変化したり、時間依存型の疲労特性を示すことに注意しなければなりません。

 

この点も金属材料と異なります。そして、セラミックスの場合は、JISで規格された標準的な材料はありません。使用する材料の特性はメーカーに問い合わせるか、実験を行うかして調べる必要があります。

 

高分子材料としてよく知られるのが 「プラスチックス」 です。プラスチックスの成型法は非常に多いため、機械材料として選定する際、重要な因子となります。プラスチックスの機械的特性は金属やセラミックスに比べて静的強度と弾性率が非常に低いです。そのため、ガラス繊維などを強化材として加えた複合材料として用いることも多いです。

 

複合材料は、一般に母材となる材料にそれを強化する目的で加える強化材を分散させて複合化させることによって作成されます。繊維と母材の組合せや繊維の配合、配列などによって様々な特性を有した材料を作り出すことが可能です。複合材料についても規格化されたものはないので、機械材料として選定し設計する場合は実験や解析を行うことが必要となります。

 

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