アルミと鉄とステンレスの選び方、同じL形ブラケットで質量とたわみを計算して比べる

同じ形の部品をアルミから鉄に替えると、何倍重くなるのでしょうか。L形ブラケットで計算すると、A5052の180gに対してSS400は529g、SUS304は533gで、ほぼ3倍です。ただし鉄はたわみが約3分の1で済むので、たわみをそろえて板を薄くすれば、差は2倍ほどに縮まります。

装置の中のブラケットは、例として、ワークを当てて位置決めするストッパやセンサを支えたり、搬送軸の可動部に載ったりします。ストッパを支えるブラケットなら、たわみの分だけワークの位置がずれ、可動部に載るブラケットなら、質量はアクチュエータが動かす負荷に加わります。材料の表を開くと、つい強度の欄に目が行きます。でもこのブラケットで判断を分けるのは、強度より質量とたわみでした。

質量は比重だけで決まる

形が同じなら、体積は材料によらず同じです。L形ブラケットのCADモデルは体積が67,195mm³、つまり67.195cm³あります。これに比重を掛けるだけで質量が出ます。A5052なら67.195×2.68で180g。比重はミスミの材料資料にある参考値を使いました¹。次のグラフでは、棒が材料ごとにどの高さに並ぶかを見てください。

棒が2本と3本に、はっきり分かれています。A5052とA6063の差は1.3gしかなく、SS400とS45Cは同じ値、SUS304もそこから4g重いだけ。

質量で決められるのは、アルミにするか、それ以外にするかの一点です。

たわみは板厚で調整できる

では、重くなるぶんの見返りは何か。いちばん大きいのは、たわみにくさです。ワークの位置決めに関わるブラケットでは、たわみがワークの位置ずれにつながります。

立板を、根元を固定した片持ちはりとみて計算してみます。幅60mm、厚さ10mm、根元から上端までの長さは60mm。上端に100Nをかけたときのたわみδは、断面二次モーメントIと縦弾性係数Eを使って次の式で求まります。

δ ＝ F × L³ ÷（3 × E × I）、I ＝ 幅 × 厚さ³ ÷ 12

Iは5,000mm⁴です。Eに資料の参考値を入れると、A5052（70,000N/mm²）は20.6μm、SS400（200,000N/mm²）は7.2μm、SUS304（193,000N/mm²）は7.5μmになりました。リブを無視した計算なので実物はもっとたわみませんが、たわみの比はEの比のとおりです。例として、この立板の上端にストッパを付けてワークを100Nで押し付けるなら、リブを無視したこの計算では、ストッパの位置がA5052で20.6μm、SS400で7.2μmずれます。

もっとも、たわみは厚さの3乗で減ります。SS400の板を薄くして、A5052の厚さ10mmと同じたわみに合わせるとどうなるか。次のグラフでは、横の点線と各材料の線が交わる厚さを見てください。

横の点線がA5052の厚さ10mmのたわみで、SS400の線がこの高さを横切るのは厚さ約7mmです。立板だけで質量を比べると、7.87×7.05÷（2.68×10）で2.07倍。「鉄はアルミの3倍重い」という感覚は、たわみを基準にすると2倍まで下がります。

強度の表は下限で読む

曲げの応力も計算しておきましょう。同じ100Nで立板の根元にかかる応力は、100×60÷（60×10²÷6）で6N/mm²。A5052の耐力の下限125N/mm²の5%にもなりません。耐力に届くのは計算上約2,000Nです。R3の角に集中する応力やボルトの強さはこの計算に入っていませんが、この大きさの部品で材料の強度が先に問題になることは少なそうです。

材料	引張強さ	耐力
A5052	210〜265	125〜190
A6063	190〜240	150〜200
SS400	400〜510	215〜355
S45C	570〜750	330〜490
SUS304	520〜750	205以上

単位はN/mm²で、保証値ではない参考値です¹。目を引くのはSUS304で、引張強さはSS400より高いのに、耐力の下限は205とSS400の215を下回ります。

ステンレスだから強い、とは限りません。

S45Cは焼入れと焼戻しでさらに強くできます。ただ、ミスミの解説によると、硬さを上げても同じ形のたわみが大きく減るわけではありません²。たわみに困っているなら、材料より形を変えるほうが早いのです。大きな荷重がかかる部品では、これらの値は目安にとどめ、最終の判断はメーカーの資料と設計基準で確認してください。

削りやすさと価格は加工法で変わる

部品図の材質を決めるときは、加工法と製作の費用も合わせて見ておきます。切削でいちばん手を焼くのはSUS304です。硬くて粘りがあり、切削性はあまり良くありません³。熱伝導率も16.2W/m・KとA5052の138W/m・Kの8分の1ほどしかなく、切削熱が刃先に集中して工具の摩耗が早くなります¹⁴。

ほかの材料は、それぞれ癖が違います。A5052は削りやすい部類ですが、粘りがあって切りくずが長く伸び、工具に絡みやすい点に注意が必要です⁵。SS400は切削性も溶接性もよい汎用材⁶。S45Cは焼入れ前なら一般的な工具で削れるものの、快削鋼ではありません²。

価格は、材料ごとの単価の順になるとは限りません。

ミスミのmeviyが公開している見積事例を比で見ると、切削の角物ではSS400とA5052の差は3%ほどで、SUS304はその約1.6倍です⁷。丸物のS45CとSS400はほぼ同じ。ところが板金の事例では、A5052がSUS304より3割ほど高くなります。切削品では、材料の値段より加工時間の差が価格に大きく影響するのでしょう。「アルミは高い」とも「鉄は安い」とも言い切れないので、加工法とセットで見積もるのが確実です。

ブラケットならA5052から考える

ここまでの計算を、選ぶ順番に直すと次のようになります。

• 軽くしたい、溶接はしない、さびにくくしたいなら、まずA5052。今回の図面もA5052に白アルマイトで、膜で穴がどれだけ小さくなるかは表面処理の記事で計算しました。
• 断面が一定の形材でよいなら、押出しに向くA6063。アルマイトの仕上がりもきれいです⁸。ただし今回のブラケットは中央にリブがあるので、押出しだけでは作れません。
• 質量を気にせず、溶接して塗装するならSS400。
• 軸やピンのように硬さと強度が必要ならS45C。溶接には割れを防ぐ管理が必要です²。
• 水がかかる場所で、塗装やめっきをしたくないならSUS304。切削品では価格が上がる前提で選びます。

選んだ材料と表面処理は、部品図の材質の欄と部品表に書く項目です。提供前の装置設計の支援アプリMEKARIQは、ワーク仕様などの装置の条件から、3Dと組立図・部品図・部品表を生成します。（MEKARIQ は、株式会社Anamorphosis Networks が開発している装置設計の支援アプリです。MANUFAC を制作する株式会社Game は、その開発を受託しています。この段落はその紹介です。）生成のたびに検図し、結果を○▲×で示します。

部品を何gにしたいか、ワークの位置決めに関わるなら何μmまでならたわんでよいか。材料の表を開く前にこの2つを書き出しておけば、強度の欄を見るのはそのあとで足りることが多いはずです。

2026年11月9日 更新：装置の設計で材料を選ぶ場面を中心に、業界の用語で構成と表現を書き直しました。

注

1. ミスミ meviy使い方マニュアル「材料の特性」。比重、引張強さ、耐力、ヤング率、熱伝導率はこの表の値で、S45Cは「S45C（相当）」、A6063は「A6063S」の行です。いずれも参考値で保証値ではありません（2026年10月30日に確認）。 ↩ ↩ ↩

2. ミスミ meviy「S45Cとは？特性・化学成分・熱処理・硬さ・加工時の注意点を解説」。 ↩ ↩ ↩

3. ミスミ meviy「SUS304の特性とは？設計上の考慮点や他のステンレス材との比較も紹介」。 ↩

4. ミスミ 技術情報「ステンレス鋼を切削加工する時のポイント」。 ↩

5. ミスミ meviy「A5052とは？特性・メリットから用途・加工設計のポイントまで解説」。 ↩

6. ミスミ FAカタログ「金属プレート 特長」。 ↩

7. ミスミ meviy「材質・表面処理ごとの価格を一覧で確認しよう」の見積事例（2024年5月22日時点の価格）から、無処理の参考価格の比を計算しました。特定の形状の事例で、形状や数量が変われば比も変わります。A6063はこの事例にありません。 ↩

8. ミスミ meviy「A6063アルミ合金を基礎から学び直す」。 ↩