板金加工に不可欠な材料：総合ガイド

シートメタルの生産と加工に使用される材料には多くの種類があり、仕様は主にシートとプロファイル材料に焦点を当てている。一般的な非金属材料には、段ボール、ベークライト板、ゴム板、プラスチック板、複合板などがある。ゴム板は弾性、耐摩耗性、耐低温性、絶縁性に優れ、弾性材、シール材、制振材などとして使用できる。

エンジニアリングプラスチック板の高強度、良好な可塑性、靭性、耐摩耗性により、板金部品の製造において金属に取って代わることができ、特にガラス繊維強化プラスチックのような比強度（引張強さと密度の比）が高いものは、金属の比強度を大幅に上回ることができ、軽量化のために板金構造部品の製造に広く使用されている。

また、エンプラの多くは、酸、アルカリ、塩などの媒体に対する耐食性に優れている。中でもポリテトラフルオロエチレンや硬質ポリ塩化ビニルは、強酸や強アルカリに対する耐食性に優れているため、耐薬品腐食部品、耐食ライニング、熱交換器部品、化学パイプライン、エルボなどに使用されている。

表1に、一般的な非金属材料板の名称、等級、特性、用途を示す。

表1 非金属材料板の名称、等級、特性および用途

シートメタル構造には非金属材料が広く使用されているが、金属材料は依然として最も多く使用されている。 板金加工 鉄と非鉄の金属材料に分けられる。

I.鉄素材

鉄鋼材料は、鉄を母材とする鉄-炭素合金である。一般に、炭素質量分率が2.11%以上の鉄-炭素合金を鋳鉄、2.11%未満のものを鋼と呼ぶ。鉄鋼材料には主に炭素鋼、合金鋼、鋳鉄、鋳鋼などがある。

鋼材には多くの分類方法があり、製鋼方法、鋼材の品質、化学成分、あるいは金属組織や用途の違いによって分類することができる。これらの要素を総合的に考慮すると、鋼材は一般的に図1に示すように分類することができる。

板金製品によく使われるのは、低炭素構造用鋼、低合金構造用鋼、特殊性能構造用鋼である。それぞれの鋼種について、成分、性能、仕様、適用範囲などを紹介する。

1.低炭素構造用鋼

低炭素構造用鋼は低炭素鋼と略称される。硫黄やリンなどの有害不純物の質量分率によって普通低炭素鋼、高級低炭素鋼、高級高級低炭素鋼に分けられ、圧延状態によって熱延板と冷延板に分けられ、圧延後の処理状態によって普通低炭素鋼と塗装低炭素鋼に分けられる。低炭素鋼は通常、組成と品質によって番号が付けられる。

普通低炭素鋼S中の硫黄の質量分率は≦0.055%であり、リンの質量分率Pは≦0.045%である。高品質低炭素鋼Sの硫黄とリンの質量分率は≤0.040%であり、高品質低炭素鋼Sの硫黄の質量分率は≤0.030%であり、リンPは≤0.035%である。その等級は炭素の質量分率を反映することができ、炭素の平均質量分率を示す2桁の数字で表されます。低炭素構造用鋼の分類と番号の付け方を表2に示す。

表2 低炭素構造用鋼の分類と番号の付け方

(1) 通常の低炭素構造用鋼

通常の低炭素構造用鋼は通常、熱間圧延後、焼鈍または焼ならし状態で使用され、一般に熱処理は施されない。多くは熱間圧延後、熱間圧延状態または焼ならし状態で使用される。特殊なニーズがあれば、それに対応する焼鈍、焼ならし、焼入れなどの熱処理を施すこともある。一般に使用される普通低炭素構造用鋼の主成分、性能 特性および用途を表3に示す。

表3 一般に使用される普通低炭素構造用鋼の主要成分、性能特性および用途

(2) 高品質低炭素構造用鋼

高品質の低炭素構造用鋼は、納品時に化学組成と機械的性質の両方が保証されており、通常の炭素構造用鋼よりも厳しく規制されている。硫黄とリンの質量分率を0.35%以下に制御する必要があり、非金属介在物が少なく、品質レベルが高く、一般的に熱処理後に使用される（20Rなどの容器専用鋼を除く）。

高品質炭素構造用鋼は、2つのアラビア数字で炭素の平均質量分率を1万分の1で表し、沸騰鋼の場合はFが付き、殺鋼の場合は文字が付かない。例えば、"45 "は炭素質量分率が0.45%の高品質炭素構造用鋼で、キルド鋼を表す。一般的に使用されている高品質低炭素構造用鋼の性能指標、主要特性および用途を表4に示す。

表4 一般的に使用される高品質低炭素構造用鋼の性能指標、主要特性および用途

一般にブリキと呼ばれる塗装低炭素鋼板は、冷間圧延または熱間圧延された薄鋼板に亜鉛、錫、鉛、アルミニウムなどの非鉄金属材料をコーティングしたものです。そのため、コーティングの違いにより、薄亜鉛板、薄錫板、薄鉛板、薄アルミ板などに分けられる。

薄亜鉛板は一般に白亜鉛板とも呼ばれる。表面は明るい白色で、平滑と波形の2種類があります。どちらも強い耐食性と魅力的な外観を持っています。これらの板は、防錆コンテナ、天井、住宅用水パイプラインの製造に適しています。

錫の薄板は、表面が明るく魅力的で、食品容器や缶の製造に適している。白鉛板とも呼ばれる薄鉛板も耐食性が強く、耐酸性容器に適している。ただし、鉛の毒性のため、食品容器には使用できない。

2.低合金構造用鋼

低合金構造用鋼は、低合金鋼と略されることが多く、通常の低炭素鋼に質量分率で2%または3%以下の合金元素を添加して強度を高めたものである。主に各種土木構造部材に使用され、その用途は最も広く、消費量も最も多い。通常、熱間圧延後の焼鈍または焼ならしの状態で使用され、それ以上の熱処理は施されない。

低合金鋼は、その用途によって普通低合金鋼、容器（高温を含む）低合金鋼、低温低合金鋼などに分けられる。普通低合金鋼を除き、番号の付け方は一般に「番号＋元素記号＋番号」を用い、前番号は鋼中の炭素の平均質量分率の万分の一を表し、元素記号は合金元素を表し、記号の後の番号は鋼中のその元素の平均質量分率を表す。

合金元素の含有量は元素記号の後に表示され、元素の質量分率で表されるが、10進数は整数に変換される。

合金元素の平均質量分率が1.5%未満である場合、その含有量は表示されず、平均質量分率が1.5%、2.5%、3.5%など以上である場合、それに対応して2、3、4などで表される。例えば、「12Cr2Ni4」は、合金鋼の主成分質量分率がC 0.12%、Cr 1.5%、Ni 3.5%であることを示す。

コンテナ鋼の場合は、鋼種の後に "R "を付けてそれを示し、低温で使用される場合は "DR "を使用する。例えば、16MnDRは、炭素の質量分率が0.16%、Mnの質量分率が1.5%未満で、V、Ti、Nbなどの合金元素を少量含む低温容器鋼を示す。

(1) 通常の低合金鋼

通常の低合金鋼の炭素質量分率は0.10%～0.25%であり、Mn、Si、V、Ti、Nb、Cu、P、REなどの合金元素の質量分率は一般に3%以下である。

その中で、MnとSi元素はフェライトの固溶体強化効果があり、強度を向上させ、V、Ti、Nb元素は結晶粒を微細化し、靭性を向上させ、CuとP元素は耐食性を向上させ、希土類元素REは脱酸、脱硫、鋼中の有害不純物の浄化に有効であり、鋼の性能を向上させることができる。

普通低合金鋼の番号の付け方は普通低炭素鋼と同じで、降伏強度を表す中国語のピンイン文字（Q）、降伏強度の値、品質等級記号（A、B、C、D、E）の3つの部分から順番に構成されています（Q345Cなど）。

普通低合金鋼の降伏強さは、低炭素鋼よりも25%～50%高く、特に降伏強さ比（σ_s/σ_b)が著しく改善されている。また、良好な塑性、靭性、溶接性、比較的良好な耐摩耗性と耐食性を持つ。表5にいくつかの低合金構造用鋼の機械的性質と用途を示す。

表5 低合金構造用鋼の機械的性質と用途

内は旧基準の表現方法。

(2) 容器用低合金鋼

コンテナ低合金鋼は低合金高強度鋼に属する。20鋼をベースにMn-Siを添加してC-Mn鋼に強化し、16Mn鋼をベースにV、N、Nb、Moなどを添加して非常に強い鋼になります。

鋼圧力容器に推奨される鋼板は、主に16MnR、15MnVR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVRなどであり、鋼管は16Mn、15MnVなどである。

16MnRは、総合的な機械的性質、溶接性、加工性、低温衝撃靭性に優れているが、低炭素鋼よりも溶接時に割れが発生しやすい。主に-20～400℃の中・低圧圧力容器シェルおよび耐圧部品、液化石油ガスボンベ、小・中型球形タンクの製造に使用される。

15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbRは強度が高いが、塑性と靭性はC-Mn鋼より低い。切り欠き感受性と時効感受性が高く、溶接性が悪く、厳しい工程要件がある。これらは主に、温度≦470℃、高圧に耐える大型貯蔵タンクや高圧容器耐圧シェル、アンモニア合成塔、尿素合成塔の製造に使用される。

07MnCrMoVRは、高強度、高靭性、優れた溶接性を有する。板厚t≦50mmでは、予熱なし、またはわずかな予熱で、溶接低温割れを起こすことなく溶接できる。主に、1000～2000mmのような高パラメータの球形容器の製造に使用される。³ 酸素、窒素、水素、液化石油ガス、エチレン、その他の常温および低温球形タンク。

(3) 低温低合金鋼

一般に0℃以下で使用される材料を低温材料と呼ぶ。低温金属材料には、低合金鋼、ニッケル鋼、クロム・ニッケル系オーステナイト鋼、チタン合金、アルミニウム合金などが一般的に用いられる。一般的な低温用低合金マンガン鋼は、鋼の低温靭性を向上させるためにマンガンを主な添加元素として使用している。炭素-マンガン-ニッケル鋼は、マンガンとニッケルを主な添加元素として使用し、低温靭性をさらに向上させている。

炭素-マンガン-ニッケル鋼は、低炭素鋼よりも優れた低温靭性を持つ。9Ni鋼は高ニッケル・オーステナイト鋼で、高強度 で良好な低温性能を持ち、低温での塑性、靭性、 加工性に優れている。表6に一般的に使用される低温用鋼の機械的性質と用途を示す。

表6 一般的に使用される低温用鋼の機械的性質と用途

3.特殊性能構造用鋼

特殊な物理的・化学的性質を持つ鋼を特殊機能鋼という。板金部品によく使われる特殊性能鋼には、ステンレス鋼、耐熱鋼、耐摩耗鋼などがある。

(1) ステンレス鋼および耐熱鋼

GB/T20878-2007 "Stainless Steel and Heat-Resistant Steel Grades and Chemical Composition "は、ステンレス鋼と耐熱鋼の冶金学的分類による鋼種をリストアップしており、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系に分類されている。

12Cr13、20Cr13、30Cr13などの一般的なマルテンサイト系ステンレス鋼は、主に医療器具に使用される。

06Cr19Ni9や12Cr18Ni9などの一般的なオーステナイト系ステンレス鋼は、主に吸収塔、貯蔵タンク、パイプライン、コンテナなど、腐食性の強い媒体中で作動する機器の製造に使用される。

40Cr10Si2Moや45Cr14Ni14W2Moなどの一般的な耐熱鋼は、高温での耐酸化性と強度が高い。中でもオーステナイト系耐熱鋼である45Cr14Ni14W2Moは、タービンブレードや大型エンジン排気バルブなど、600℃以下で使用される部品の製造に使用することができます。

(2) 耐摩耗鋼

耐摩耗鋼は主に、車両軌道、破砕機顎板、ボールミルライナー、掘削機バケット、鉄道分岐器など、激しい摩耗や強い衝撃に耐える部品の製造に使用されます。耐摩耗鋼は優れた靭性と耐摩耗性を持っています。

高マンガン鋼は現在最も重要な耐摩耗鋼で、炭素含有量は0.9%～1.4%、マンガン含有量は11%～14%である。この鋼は機械加工が難しく、ほとんどが鋳造される。一般的な高マンガン鋼にはZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4などの鋼種がある。

II.非鉄金属材料

金属 アルミニウム、マグネシウム、銅、鉛などの鉄鋼以外の金属およびその合金を総称して非鉄金属材料と呼ぶ。金属材料の中で、非鉄金属材料は重要な位置を占めている。なかでも、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銅および銅合金、チタンおよびチタン合金は、低密度、高比強度、耐熱性、耐食性、導電性など、普通鋼を大きく上回り、一部の高張力鋼を凌ぐ特性を持ち、板金には欠かせない金属材料となっている。

1.アルミニウムおよびアルミニウム合金

純アルミニウムは電気伝導性と熱伝導性に優れ、可塑性が高いため、導体やコンデンサーの製造によく使われる。しかし、強度が低いため、構造材料としての使用には適していない。強度を向上させるため、純アルミニウムに合金元素（ケイ素、銅、マグネシウム、マンガンなど）を添加してアルミニウム合金を形成することが多い。これらのアルミニウム合金は、一般的に依然として低密度（約2.5～2.88g/cm³)、耐食性、良好な熱伝導性を有する。

(1) アルミニウムおよびアルミニウム合金の等級指定方法

アルミニウムとアルミニウム合金の呼称には、4桁のシステム等級と4文字のシステム等級が使用される。アルミニウムとアルミニウム合金のグループと等級シリーズを表7に示す。

表7 アルミニウムおよびアルミニウム合金のグループと等級系列

(2) アルミニウム展伸材とアルミニウム合金の新旧グレードの比較

歴史的な理由により、アルミニウム展伸材とアルミニウム合金の等級は、生産においてまだしばしば使用されている。アルミニウムとその合金製品の古い等級は、コード接頭辞または元素記号に続き、組成番号またはシーケンス番号と製品カテゴリー名またはグループ名との組み合わせで表されます：

1）製品コードは、中国語のピンイン文字、化学元素記号、アラビア数字の組み合わせで表され、アルミニウムはL、硬質アルミニウムはLY、防錆アルミニウムはLFで表される。

2)製品の状態、加工方法、特性を表すコードは中国語のピンイン文字で表され、Rは熱間加工、Mは焼きなまし状態、Tは超硬質、Yは硬質、Y1は3/4硬質、Y2は1/2硬質、Y3は1/3硬質、Y4は1/4硬質を表す。

中国の工業用純アルミニウムの等級は、L1、L2、L3などの不純物限界に基づいてまとめられています。Lは中国語のピンイン「アルミニウム」の頭文字で、それに続く数字が大きいほど純度が低くなります。高純度アルミニウム等級L01～L04は、アルミニウム含有量が99.93%以上であり、L04のようにアルミニウム含有量が99.996%以上であるなど、後に続く数字が大きいほど純度が高くなります。

アルミニウム合金は、その組成とプロセス特性に基づいて、鍛造アルミニウム合金と鋳造アルミニウム合金に分けることができます。中国で生産される鍛造アルミニウム合金は、主な性能特性に基づいて、硬質アルミニウム、防錆アルミニウム、超硬質アルミニウム、鍛造アルミニウムに分類されます。

表8は、アルミニウム展伸材とアルミニウム合金の新旧グレードの比較である。

表8 鍛造アルミニウムとアルミニウム合金の新旧グレードの比較

(3) 一般に使用されるアルミニウム及びアルミニウム合金の機械的性質、主要特性及び用途

表9は、一般的に使用されるアルミニウムおよびアルミニウム合金の機械的特性、主要特性、および用途を示している。

表9 一般的に使用されるアルミニウムおよびアルミニウム合金の機械的性質、主な特性および用途

2.銅および銅合金

純銅は製錬品と加工品に分けられる。製錬品は不純物の質量分率から1号銅、2号銅、3号銅に分けられます。加工品は酸素の質量分率と製造方法から純銅、無酸素銅、脱燐銅に分けられます。

純銅のナンバリング方法は、中国語のピンイン頭文字「銅」の「T」から始まり、1、2、3と続き、T1、T2、T3を示す。無酸素銅とリン脱酸銅のナンバリング方法は、それぞれ "T "+U（"無 "のピンイン頭文字）+通し番号、"T "+P+通し番号です。

純銅は貴金属の一種で、電気伝導性、熱伝導性、耐食性に優れているが、強度が低く、硬度も非常に低い。主に各種導電材料や熱伝導材料として使用される。

純銅の利点を生かし、機械的特性を向上させるために、純銅に合金元素を加えて銅合金を作ることができます。このような銅合金は一般的に、電気伝導性、熱伝導性、耐食性、耐磁性に優れ、機械的特性も十分に高いままです。

(1) 銅合金グレードの表示方法

銅合金は製造工程によって伸銅品と鋳銅品に分けられ、化学組成によってZnを主添加元素とする黄銅、Sn、Al、Be、Si、Ce、Crを主添加元素とする青銅、Niを主添加元素とするキュプロニッケルに分けられる。

キュプロニッケルは銅とニッケルの合金で、主に精密機械や計器の耐食部品、抵抗器、熱電対などに使われる。板金部品では、黄銅や青銅の方が広く使われている。

1) 黄銅（銅-亜鉛合金）。黄銅の等級表示方法は以下の通り：

普通黄銅の等級は "H"(Hは "黄 "のピンインの頭文字)で始まり、その後に銅の含有量(パーセンテージ)が続く。

例えば、HNi65-5は、銅の質量分率が約65%、ニッケルの質量分率が約5%のニッケル黄銅を示す。

2) カプロニッケル（銅-ニッケル合金）。キュプロニッケルの品位表示方法は以下の通り：

普通キュプロニッケルの品位は "B"(Bは "白 "のピンインの頭文字)で始まり、その後にニッケル含有量(パーセンテージ)が続き、例えばB5はニッケルの質量分率が約5%の普通キュプロニッケルを示す。

BFe10-1-1は、ニッケルの質量分率が約10%の鉄キュプロニッケルを示す。

3) 青銅。黄銅とキュプロニッケルを除く他の銅合金はすべて青銅と呼ばれる。区別するために、錫青銅、アルミニウム青銅、ベリリウム青銅、マンガン青銅、シリコン青銅などのように、青銅の前に元素名が付きます。

青銅の品位表示方法は、「Q」（Q は「緑」のピンインの頭文字）で始まり、主 添加元素の記号、主添加元素の含有量（質量分率）の順で表示され、例えば QSn1.5-2 は錫の質量分率が約 1.5% の錫青銅を示す。

(2)一般的な銅および銅合金の機械的特性、主要特性および用途

表 10 は一般的な銅と銅合金の機械的特性、主な特徴、用途を示しています。

表 10 一般的な銅および銅合金の機械的特性、主要特性、および用途

3.チタンおよびチタン合金

チタン材料は、その組成質量分率から化学純チタン（ヨウ素チタン）、工業用純チタン、チタン合金に分けられます。化学的純チタンはTADに代表される高純度チタンで、純度は99.95%までで、不純物の質量分率は小さい。工業用純チタンは不純物の質量分率がやや大きく、不純物の含有量に基づいて9つのグレードに分けられ、グレードはTA1、TA2、TA3などで表され、配列番号が増加するにつれて純度が低下します。

工業用純チタンの室温での降伏強度と引張強度は近く、降伏比は大きく、弾性率は低い。しかし、温度が上昇すると、強度は室温の約半分に低下する。逆に温度が下がると強度は増加するが、塑性変形は著しく低下する。高純度の工業用純チタンの場合、低温遷移脆性はなく、衝撃靭性は低温で増加する。従って、TA1とTADは-196℃でも安全に使用できる。

純チタンの特定の特性を改善するために、合金元素はしばしば強化のために純チタンに添加され、チタン合金を形成する。添加される主な合金元素には、Al、Sn、V、Cr、Mo、Fe、Siなどがあります。合金元素の添加は、チタン合金の強度、耐熱性、耐食性をある程度向上させることができます。

チタン合金は、成形方法によって異形（加工）チタン合金と鋳造チタン合金に分けられ、使用特性によって構造用チタン合金（使用温度400℃以下）、耐熱チタン合金（使用温度400℃以上）、耐食チタン合金に分けられる。

(1) チタンおよびチタン合金の等級指定方法

チタンおよびチタン合金の等級は、アルファベット "T "+金属または合金の元素構造の種類を表すアルファベット（A、B、C）およびシーケンス番号で構成され、"ELI "は超低間充てんを示す。Aはα型チタンおよびα型チタン合金、Bはβ型チタン合金、Cはα+β型チタン合金を表す。様々なチタンおよびチタン合金の異なる構造状態は、異なる特性を有する。

(2) 一般に使用されるチタンおよびチタン合金の機械的性質、主要特性および用途

表11は、一般的に使用されているチタンおよびチタン合金の機械的特性、主な特徴、および用途を示しています。

表11 一般的に使用されるチタンおよびチタン合金の機械的性質、主な特性および用途

注：グレードの最初の2桁はチタンまたはチタン合金の構造の種類を示すコードを示し、3桁目はチタンまたはチタン合金のシーケンス番号を示す。