CNC加工部品の材料選定は、制約付き最適化問題です。すなわち、機械的、環境的、審美的といったあらゆる機能要件を満たしつつ、総コストを最小限に抑える材料を見つけることです。ここで、総コストには材料の購入価格に加え、その材料の切削難易度によって左右される加工コストも含まれます。 高性能な合金を必要以上に指定しても、部品の性能向上にはつながらず、無駄な費用がかかります。一方、仕様が不十分だと、使用中に故障するリスクがあります。最適な選択とは、すべての要件を十分な余裕を持って満たしつつ、最も経済的な材料を選ぶことです。.
実際には、CNC加工部品のほとんどにおいて、候補となる材料のリストは限られています。重量、耐食性、および加工コストの低さが優先される用途の大部分は、アルミニウム合金でカバーされています。 ステンレス鋼や炭素鋼は、強度、硬度、耐久性が重視される用途で使用されます。チタンは、強度対重量比や生体適合性が必須要件となる場合にのみ、その高コストに見合う価値を発揮します。真鍮や銅は、電気、熱、流体配管関連の用途に使用されます。エンジニアリングプラスチックは、絶縁性、耐薬品性、低摩擦性が求められる用途をカバーしています。.
このガイドでは、確信を持って仕様を決定するために必要な詳細度で、5つの選定基準と各材料群について解説します。材料の選択は表面処理と密接に関連しています（合金によって陽極酸化処理やメッキの仕方が異なるため）、表面処理の決定にあたっては、当社の「タイプII陽極酸化処理とタイプIII陽極酸化処理の比較」ガイドをご参照ください。材料および表面処理の選定は、当社を通じたすべてのお見積りの一部となっています。 CNC加工サービス.
5つの選定基準
1. 機械的特性
まず、その部品が構造的に果たすべき役割、すなわち荷重を支えること、衝撃に耐えること、熱サイクル下でも剛性を維持すること、所定のサイクル数にわたって疲労に耐えることから検討を始めます。評価すべき主要な機械的特性としては、引張強度、降伏強度、硬度、剛性（弾性係数）、疲労限界、および靭性があります。 航空宇宙アセンブリの構造用ブラケットと、外観用のエンクロージャーカバーでは、求められる機械的要件が根本的に異なります。ただし、どの部品に対しても同じ解析が適用され、異なるのは閾値のみです。.
降伏強度は、部品が予想される最大荷重の下で恒久的に変形するかどうかを決定し、引張強度はいつ破断するかを決定し、弾性係数は弾性変形の程度を決定します。繰り返し周期的な荷重を受ける部品の場合、疲労データは極めて重要です。材料は静的強度としては十分であっても、降伏強度のほんの一部に相当する周期的な応力下では、早期に破損する可能性があるからです。.
2. 重量
質量が制約される分野――航空宇宙、自動車、携帯機器、ロボット工学、携帯型計測機器など――では、関連する指標として比強度（降伏強度を密度で割った値）または比剛性（弾性係数を密度で割った値）が用いられます。 構造用金属の中で、比強度に優れているのはアルミニウム合金とチタンである。炭素繊維複合材料や先端ポリマーはこれら両方を上回るが、従来の意味でのCNC加工は行われない。重量が重要なほとんどの用途では、アルミニウム6061または7075が第一の選択肢となり、チタンはアルミニウムの強度では不十分なごく一部の用途に限定して使用される。.
3. 耐環境性
使用環境によって、選定可能な材料の範囲は急速に狭まります。腐食性環境（塩水噴霧、高温多湿の熱帯地域、酸性プロセス流体、海洋環境など）では、表面処理を施していない無防備な炭素鋼や多くのアルミニウム合金は使用できません。ステンレス鋼316、陽極酸化処理済みのアルミニウム、および多くのエンジニアリングプラスチックは、追加のコーティングを施さなくても、こうした環境に耐えることができます。 高温環境では、適用可能な材料がステンレス鋼、ニッケル合金、およびエンジニアリングセラミックスに限定されます。極低温用途では、低温でも靭性を維持できるオーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム合金が適しています。.
紫外線への曝露は、露出したプラスチック部品にとって重要な要素です。標準的なABSやポリカーボネートは、長期間の紫外線曝露により劣化します。屋外での使用には、耐紫外線性を備えたグレードまたは表面コーティングが必要です。 耐薬品性は、個々の化学物質ごとに評価する必要があります。PEEKはほとんどの有機溶剤や多くの酸に耐性がありますが、ナイロンは水分を吸収して膨潤します。POM（デルリン）は強酸や酸化剤によって腐食されます。.
4. 加工性
被削性とは、材料を所定の寸法や仕上げに切削しやすい度合いを指します。これは加工コストを直接左右する要素であり、被削性が高いほど、切削速度が速くなり、工具の摩耗が少なくなり、サイクルタイムが短縮されます。 快削アルミニウム合金とニッケル超合金の加工性の違いは、切削速度において20倍から50倍にも及びます。材料価格を考慮する前から、コストの差は極めて大きいのです。.
加工性ランキング（おおよその目安。数値が高いほど加工性が良い）：加工性の良い真鍮やアルミニウムがトップに位置し、通常のアルミニウム合金、続いて軟鋼や303ステンレスが中位に位置する。 304/316ステンレス、チタン、焼入れ鋼は加工が困難であり、ニッケル超合金、焼入れ工具鋼、および一部のセラミックスは極めて加工が困難です。もし2つの 材料を取り除く すべての機能要件を満たすのであれば、加工性の良い方の方が、ほぼ常に総コストを低く抑えることができる。.
5. 仕上げと外観
求められる表面仕上げや外観は、材料の選定と加工後の処理の両方に影響を与えます。アルミニウムの最も一般的な仕上げ処理である陽極酸化処理では、予測可能な高品質な結果を得るために、6061、6063、または7075を使用する必要があります。 2024のような高銅合金は、陽極酸化処理の適性が低い。電気めっき（ニッケル、クロム、亜鉛）はほとんどの金属に対応しているが、入念な表面処理が必要となる。粉体塗装は、鋼やアルミニウムに良好に密着する。.
その部品が使用時に目に見える部分であり、色や光沢が求められる場合、最初の機械加工段階から表面仕上げが重要になります。機械加工後の工具痕は、仕上げ方法によって写真に写り方が異なります。視認性の高い用途向けの部品は、通常、コーティングを施す前に研磨やブラスト処理を行う必要があります。.
素材ファミリー
アルミニウム合金
アルミニウムは、CNC加工部品の大部分において標準的な材料です。軽量（密度約2.7 g/cm³）であり、自然に形成される酸化皮膜によって耐食性に優れ、加工性が非常に高く、特性が十分に解明されている幅広い合金が利用可能です。 CNC加工において最も重要な合金は以下の通りです：
- 6061-T6：万能な主力材。降伏強度は約276 MPaで、加工性が極めて良好、溶接が可能、陽極酸化処理がきれいに施され、棒材、板材、押出成形品として容易に入手できる。構造部品、筐体、ヒートシンク、ブラケット、および重量と 加工費 問題。.
- 7075-T6：航空宇宙分野向けに開発された高強度合金（降伏強度約503 MPa）。 機械加工性は良好ですが、6061に比べて溶接が難しく、価格も高くなります。6061では強度マージンが不足する場合や、強度対重量比が極めて重要な場合には、7075を使用してください。なお、7075は特定の環境下において、応力腐食割れの影響を受けやすい点に注意してください。.
- 5052-H32：優れた耐食性と成形性を備え、主に機械加工されたビレットではなく、板金用途に使用される。海洋環境での使用に適している。.
- 2024-T3：高強度で優れた疲労特性を備え、7075が指定されていない航空宇宙分野で使用される。銅含有量が高いため、耐食性および陽極酸化処理の品質が低下する。腐食性環境下では、クラッド加工またはコーティングによる保護が必要となる。.
鋼およびステンレス鋼
強度、硬度、耐久性が最優先され、重量は二の次となる場合、鋼が最適な選択肢となります。CNC加工における主な鋼種は以下の通りです：
- A36およびA1018軟鋼：低コストで、被削性が良好であり、ほとんどの構造用途において十分な強度を備えているが、腐食防止のためにコーティングやメッキ処理が必要である。構造用鋼板、治具、および非腐食環境で使用される部品の標準的な材料である。.
- 4140合金鋼：軟鋼よりも強度と硬度が高く、幅広い硬度レベルまで熱処理が可能である。軸、歯車、工具などに用いられる。特に熱処理後は、軟鋼に比べて被削性が劣る。.
- 303ステンレス：オーステナイト系ステンレスの快削グレード。耐食性に優れ、快削添加剤として硫黄を添加することで、容易に機械加工が可能です。ステンレスが必要で、かつ機械加工性が重要な場合、第一の選択肢となります。.
- 304ステンレス：最も広く使用されているステンレス鋼種で、303よりも耐食性に優れるが、被削性は劣る。切削時に急速に加工硬化するため、鋭利な工具と適切な送り速度が必要となる。食品接触部品、医療用部品、および一般的な腐食環境下で使用される部品に用いられる。.
- 316ステンレス：モリブデンを添加することで、塩化物腐食に対する優れた耐性を実現しています。海洋、製薬、化学プロセス用途に最適です。304と同様の加工が可能ですが、加工は若干困難です。.
チタン
チタン合金 Ti-6Al-4V（グレード 5）は、約 880 MPa の降伏強度と、わずか 4.43 g/cm³ の密度（ほとんどの鋼材を上回る比強度）を兼ね備え、さらに優れた耐食性と完全な生体適合性を有しています。 これらの特性により、その複合的な特性が不可欠とされる航空宇宙用構造部品や整形外科用インプラントにおいて、この材料が主流となっています。.
チタンは、材料費も加工費も高額です。熱伝導率が低いため、切削刃に熱が集中し、工具の摩耗が早まります。切削速度は、アルミニウムで達成可能な速度のほんの一部にとどまります。 チタンの使用は、その特有の特性の組み合わせ（特に強度対重量比、耐食性、生体適合性）が、より安価な代替材料では実現できない用途に限定すべきである。 単に耐食性が求められる部品については、ステンレス鋼の方が加工コストが大幅に安くなります。単に軽量さが求められる部品については、アルミニウム7075が、はるかに低い加工コストで十分な強度を提供します。.
真鍮と銅
真鍮合金、とりわけC360快削真鍮は、他の一般的に使用される工業用金属よりも加工速度が速く、同等の表面仕上げにおいて軟鋼の2～3倍の速度で加工できます。 その加工性に加え、優れた耐食性を兼ね備えているため、流体用継手、バルブ本体、コネクタ、計器用ハウジング、装飾用金具などの標準的な材料として選ばれています。制限となるのは、コスト（真鍮は軟鋼よりも高価）と重量（密度は約8.5 g/cm³で、アルミニウムよりも高い）です。.
電気伝導性や熱伝導性が主な要件となる場合、銅が指定されます。無酸素銅（C101）は、アルミニウムの約60倍の電気伝導性を有しており、バスバー、ヒートシンクの接合部、電気接点などに使用されます。銅は加工性は良好ですが、真鍮に比べて切削工具にビルドアップエッジが生じやすい傾向があります。.
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、金属が適さない場面――つまり、電気絶縁性、耐薬品性、低摩擦性、あるいは軽量化が主な要件となる場面――で活用されます。CNC加工において最も一般的なグレードは以下の通りです：
- POM（デルリン／アセタール）：低摩擦、優れた寸法安定性、優れた加工性を備え、FDA準拠グレードも用意されています。ブッシュ、ギア、ローラー、および食品接触部品の標準材料として用いられます。強酸や酸化剤によって腐食されます。.
- ナイロン（PA6、PA66）：強度と靭性に優れ、摩擦係数が低い。水分を吸収する（重量比で最大2～3%）ため、公差の厳しい用途では寸法安定性に影響を及ぼす可能性がある。湿度の高い環境では、耐湿性グレードを使用すること。.
- PEEK：最高性能のエンジニアリングプラスチックであり、連続使用温度は250℃に達し、優れた耐薬品性、高い強度、低アウトガス性を備えています。金属では重すぎたり導電性が高すぎたりする航空宇宙、医療、半導体装置などの分野で使用されています。PEEKは加工性が良好ですが、高価です。.
- ポリカーボネート（PC）：光透過性が高く、強靭で、寸法安定性に優れています。視窓、光学部品、試作などに使用されます。屋外用途向けのUV安定化グレードもあります。.
- ABS：低コストで、加工性が良く、非構造用途には十分な機械的特性を備えています。高い強度や耐薬品性を必要としない試作品、筐体、ハウジングの標準材料として用いられます。.
クイックリファレンス選択表
| 要件 | ファースト・チョイス | 別の方法 | 避ける |
| 軽量、汎用 | アルミニウム 6061-T6 | アルミニウム 5052 | 鋼、チタン（必要な場合を除く） |
| 高強度、軽量 | アルミニウム 7075-T6 | チタン Ti-6Al-4V | 6061（強度マージンが不十分な場合） |
| 最大強度 | 合金鋼 4140 (HT) | ステンレス 17-4 PH | 航空宇宙規格を除くアルミニウム |
| 耐食性 — 概要 | ステンレス304、316 | アルマイト処理済みアルミニウム 6061 | 未塗装の軟鋼 |
| 海洋／塩化物環境 | ステンレス316 | アルミニウム 5052（陽極酸化処理済み） | 304ステンレス（孔食のリスクあり） |
| 電気伝導度 | 銅 C101 | アルミニウム 6061（一部限定） | 鉄、プラスチック |
| 最も低い加工コスト | アルミニウム 6061 | 真鍮 C360 | チタン、316ステンレス |
| 高温環境での使用 | ステンレス316 | チタン Ti-6Al-4V | アルミニウム（150℃以上で軟化する） |
| 電気絶縁 | PEEK | POM（デルリン） | あらゆる金属 |
| 耐薬品性 | PEEK | PTFE（機械加工不可のバルク材） | ABS、酸中のナイロン |
実用的な選考プロセス
まず、部品の必須要件を書き出します。具体的には、最大荷重下での最小降伏強度、動作温度範囲、接触する腐食性物質、重量制限がある場合はその範囲、および表面仕上げやコンプライアンス要件（FDA、RoHS、生体適合性）などです。 いずれかの必須要件を満たさない材料はすべて除外します。残った材料の中から、最も加工しやすい選択肢を特定します。通常、これが総コストを最も低く抑えることになります。候補が2～3つあり、性能が拮抗している場合は、最も安価な材料で試作を行い、試験の結果、特定の欠陥が判明した場合にのみ、高価な選択肢に切り替えます。.
新しい部品に新しい材料を採用する場合は、設計に組み込む前に、サプライヤーが希望する形状（棒材、板材、管材、薄板など）の在庫を保有しているかを確認してください。仕様に基づいて発注する特殊材料は、リードタイムとコストの増加につながります。.
よくある質問
CNC加工で最も一般的に使用される材料は何ですか？
アルミニウム6061-T6は、多くの受託加工業者において、加工量ベースで最も一般的なCNC加工材料です。この材料は、優れた加工性、良好な構造強度（降伏強度約276 MPa）、耐食性、軽量性、そして陽極酸化処理が可能であるという特長を、手頃な材料コストで兼ね備えています。 これは、多くの機械加工部品のデフォルトの出発点となっています。.
アルミニウムとスチール、どちらを選べばいいですか？
重量が重要な場合、追加のコーティングなしで一般的な環境下での耐食性が求められる場合、および加工コストが重要な場合は、アルミニウムを選択してください。アルミニウムは鋼に比べて3～4倍速く加工できます。 より高い強度や硬度が求められる場合、部品が激しい摩耗や衝撃を受ける場合、あるいは使用温度がアルミニウムの実用温度範囲（約150℃）を超える場合は、鋼またはステンレスを選択してください。.
耐食性にはどの材料が最適ですか？
ステンレス316は、一般的に機械加工される金属の中で最高の耐食性を備えており、特に304が孔食を起こしやすい海洋環境や塩化物濃度の高い環境においてその性能を発揮します。陽極酸化処理を施したアルミニウム6061は、大気中や軽度の化学環境下で優れた性能を発揮します。過酷な化学環境下では、PEEKやその他のエンジニアリングプラスチックが、金属を完全に凌ぐ性能を発揮することがよくあります。 最適な選択は、常に具体的な腐食環境によって異なります。.
チタンの加工コストは、どのような場合に割に合うのでしょうか？
その用途において、特定の特性の組み合わせが真に求められる場合――例えば、整形外科用および歯科用インプラントには高い強度対重量比と生体適合性、アルミニウムでは強度が不足する航空宇宙用構造部品には強度対重量比と耐食性、あるいはステンレス鋼では重すぎる過酷な環境下での耐食性など――。 単に耐食性のみが求められる部品の場合、316ステンレス鋼の方が加工コストが大幅に安くなります。単に軽量さが求められる部品の場合、アルミニウム7075は、チタンの加工コストのほんの一部で、ほとんどの用途に十分な強度を提供します。.
