延性と展性：主な違いとCNC加工への影響

延性と展性は、材料の塑性変形特性を示すものです。CNC加工においては、これらの2つの特性が切刃の形状、バリの抑制、割れのリスク、さらには最終的な表面品質に直接影響を与えます。そこで本日は、延性と展性の意味、その主な違い、そしてCNC加工への影響について解説するため、本記事を執筆いたしました。.

延性とは何か？

延性とは、材料が引張荷重下で破壊されることなく塑性変形を行うことができる機械的性質です。この性質により、材料が引き伸ばされたり曲げられたりする際に、破断するまでにどれだけのエネルギーを吸収できるかが決まります。.

通常、延性が高い材料を延性材料と呼び、逆に延性が低い材料を脆性材料と呼びます。.

延性の測定方法

延性は、以下の2つの方法で測定できます。

引張試験

引張試験では、伸び率および断面絞り率が材料の延性を評価する指標となります。.

伸び率

伸び率とは、材料が破断後にどの程度伸びるかを確認する指標です。.

計算方法は次のとおりです：

伸び率（%）＝［（L_f － L₀）／L₀]*100%

延性の程度を評価する具体的な基準

延性材料の一般的な延性範囲（低延性または高延性を判定するため）

この表は、材料が高い延性を有するか低い延性を有するかを判断するための工学的参考資料となり得る。.

断面収縮率

面積減少率とは、破断面がどの程度薄くなるかを観察するものである。その計算式は次のとおりである。

断面収縮率（%）＝［A_f －A₀）／A₀]*100%

面積減少率の値が大きい場合、材料が破断前に大きな塑性変形を受けていたことを示す。以下の表に参考となる範囲を示す。

製造において延性が重要な理由

製造工程において、材料の延性は成形工程中の割れに対する耐性を決定づける。高い延性を持つ材料は、アニーリング処理なしで深絞りやパイプ曲げ、ねじ立て加工を行うことができる。CNC切削加工においては、延性は切りくずの連続性に影響を及ぼすことがある。

延性のある材料は、長く連続した旋削切りくずを生成することがある。.

脆性材料は粉状または細片状の切りくずを容易に生成するが、これらは取り除きやすい一方で、振動荷重下では急激な破壊を起こしやすい。.

展性とは何か

展性とは、圧縮荷重下で割れることなく塑性変形を起こす材料の能力である。この特性は、鍛造、圧延、プレス成形などの工程を通じて、平板や筐体、あるいは三次元の複雑形状の金属加工に直接関係している。.

展性の評価方法

展性は、圧縮力下で割れずに塑性変形を起こす能力を評価することによって判定される。通常、圧縮試験や成形試験により評価される。.

金属成形において展性が重要な理由

展性は、圧縮プロセスによって目的とする形状へと加工できるかどうかを直接左右する。高い展性を有する材料は、大幅な変形下でも冷間鍛造や冷間圧延が可能であり、加熱工程を削減して製造コストの低減につながる。一方で、展性が低い材料については、塑性流動性を向上させるために熱間成形が必要となり、圧縮変形時の挙動を改善しなければならない。.

延性と展性：その違いとは？

延性と展性の主な違いは、それぞれが受ける応力の種類と変形の様態にある。延性は引張応力下での塑性変形能力を指し、展性は圧縮応力下で割れることなく塑性変形を起こす能力を指す。.

延性と展性：異なる製造プロセス

延性および展性は、材料加工に用いられる製造方法に大きな影響を及ぼすため、材料の延性と展性を理解することは、製造工程の選定を効率的に導くうえで重要である。.

さまざまな製造用途

高い延性を持つ材料は、ケーブル、ばね、ファスナー、構造部品などの製造に適している。一方、高い展性を持つ材料は、圧力容器の蓋、自動車のボディパネル、硬貨、ならびに鍛造やプレス成形によって製造される各種部品に好んで用いられる。.

CNC切削加工においては、軸方向の部品にはトルクによって生じるせん断応力を耐えるための延性が求められる一方で、シェル状の部品では、二次的なリベット接合やプレスリベット加工を容易にするために鍛造性が重要となる。.

高い延性と展性を有する金属

一部の材料は、優れた展性と同時に高い延性も備えている。それらをご紹介しよう。.

銅

銅は高い延性と展性の両方を示し、最も成形性の高い金属の一つである。焼なまし状態の純銅の伸び率は45%から60%に達し、面積減少率は80%を超える。その高い延性により極細の金属線へと引き伸ばすことができ、そのため電線やケーブルとして広く利用されている。また、高い展性を持つ銅は、圧延によって薄板や管状部品などに加工することも可能である。, which makes it one of the most formable metals. The elongation of pure copper in the annealed state can reach 45% to 60%, with a reduction of area exceeding 80%. Its high ductility allows it to be drawn into extremely fine metal wires, that is why copper is widely used for electric wire and cables. Meanwhile, copper with high malleability can be manufactured to be thin sheets, tube or other components by rolling.

しかし、銅は軟らかく延性が高いため、CNC加工時には長い切りくずやバリが発生しやすい。,

金

金は、延性と展性が最も高い金属の一つである。純金の伸び率は約45%である。コスト面から通常のCNC加工にはあまり使用されないが、電子機器、航空宇宙分野、高性能製品などには依然として不可欠な材料である。.

アルミニウム

純アルミニウムの伸び率は約25%から45%である。純アルミニウムおよび焼なましアルミニウムは、特に高い延性と良好な展性を示す。これらの特性により、アルミニウムは圧延、押出し、曲げ加工、板金加工などに適している。.

CNC加工においては、アルミニウムの高い延性により連続した切りくずが発生しやすく、これが刃先の前面に付着してチップターミナスを形成することがある。この問題は、高速切削を適用し、切削工具の表面を研磨することで抑制できる。.

軟鋼

軟鋼は中程度から高い延性を有する, 、そして中程度の展性を有する。その延性により、軟鋼は引張荷重下で急激な破壊を回避でき、また展性によって圧縮力下でも成形が可能である。.

脆性材料と比較すると、軟鋼は破断前に顕著な塑性変形を示すため、曲げ加工、溶接、圧延、および構造物の成形に適している。.

軟鋼は、安定した切りくずの破断挙動を示すため、CNC加工において最も予測しやすい材料の一つである。.

延性または展性が低い材料

延性や鍛造性が低い材料は、通常、体心立方格子構造や六方最密充填構造を有していたり、硬くて脆い第二相粒子を含んでいる。これらの特性により、転位の移動が制限され、早期の破壊が引き起こされる。.

鋳鉄

鋳鉄は、伸び率が1%未満であるため、一般的に脆性材料であり、ほとんど塑性変形を示さない。.

高炭素鋼

高炭素鋼（炭素含有量0.6%を超える）は、未処理状態では通常、伸び率が10%以下であり、焼入れ処理後には2%以下に低下することもある。.

セラミックス

セラミックス材料は典型的な脆性材料であり、塑性変形は全く見られない。極限引張強度に達すると、破壊が一気に発生する。また、展性も存在しない。CNC加工においては、セラミックスは従来の切削加工ではなく、研削やレーザー加工によって成形しなければならない。.

CNC加工において延性と展性が重要な理由

延性と展性は、CNC加工時の刃先形状、バリの生成、および表面品質に影響を与える。.

切りくずの形成への影響

延性の高い材料は、せん断帯で大きな塑性変形を経た後も連続性を保ち、細長いかつらせん状の切りくずを形成する。これらの切りくずは工作物や工具に絡みつきやすく、自動工具交換の故障や表面への傷の原因となることがある。.

一方、延性の低い材料は切りくずの排出は容易だが、切削抵抗に大きな変動が生じやすく、振動を引き起こしやすい。.

解決策：

• チップブレーカー形状を使用する
• 高い送り速度を用いる
• 高圧クーラントを使用する

バリの発生への影響

延性材料は、破壊前に大きな塑性曲げ変形に耐えられるため、大きなバリが生じやすい。また、展性も入り口バリの形成に影響を及ぼす。.

解決策：

• 工具の負の面倒角を増やす
• クライムフライス加工戦略を採用する
• バリの事前除去用溝を設ける

表面仕上げへの影響

延性材料は切削加工中に積層刃（ビルトアップエッジ）を形成しやすく、その結果、加工面に微細な凹凸や傷が残り、表面粗さRa値の増加を招く。.

実際の生産現場では、切削速度を向上させて切削温度を上げ、材料の降伏応力を低下させることが対策として用いられる。この方法により、積層刃の発生を抑制し、表面仕上げを改善できる。.

一般的な金属の延性と展性の比較

各種金属材料における延性と展性の違いは、内部の原子構造や塑性変形能力の差に起因する。以下に、エンジニアリング上の用途という観点から対比を示す。.

銅とアルミニウムの比較

純銅の伸び率は純アルミニウムよりも高い。一方で、展性についてはアルミニウムが銅より優れている。アルミニウムの降伏強度は銅のおよそ3分の1である。.

CNC切削加工において、銅は切りくずの付着が強く、積層刃を形成しやすい。一方、アルミニウムは連続した切りくずを生成し、高圧クーラントを使用することで切りくずの破断が容易になる。.

ステンレス鋼と炭素鋼の比較

ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼に比べて極めて高い延性を示す。しかし、展性に関しては、オーステナイト系ステンレス鋼よりも炭素鋼の方が優れている。.

CNC切削加工の観点から見ると、ステンレス鋼の切削抵抗は炭素鋼のおよそ1.5倍であり、切りくずの破断も起こりにくい。.

延性と展性に基づいた材料選定の方法

機械設計段階では、部品の製造プロセスや使用条件を踏まえ、延性と鍛造性のバランスを取りながら、強度・コスト・加工性を総合的に考慮して材料を選定しなければならない。.

CNC加工部品向け

材料除去によるCNC加工を行う部品には、中程度の延性を持つ材料が好まれ、伸び率は15%から25%の範囲に抑えられる。この範囲にすることで、切りくずが自然にC字型や短い螺旋状に折れ、過度な脆性による切れ刃付近のフラッシュの発生を防ぐことができる。.

実際には、6061アルミニウム、1215鋼、およびC3600黄銅が理想的な選択肢です。.

純銅または焼なまし処理済みのオーステナイト系ステンレス鋼は、延び率が40%を超える材料であり、高圧冷却システムと特殊なチップブレーキング工具を使用する場合を除き、避けるべきです。.

薄肉部品や細かな形状が多いワークピースについては、より高い展性を持つ材料を選定してください。これらの材料は振動エネルギーをより効果的に吸収し、切削力の変動による壁面貫通の発生を防ぐのに役立ちます。

板金部品向け

板金成形部品では、特に曲げ加工、エンボス加工、深絞り加工において、鍛造性を第一の選定基準とすべきです。材料の許容曲げ半径と板厚との比は、製造上の規定値を下回る必要があり、この比は鍛造性の品質を直接反映します。.

厚さ3mm以上の板材については、球状化焼なまし処理を施した中低炭素鋼や5052アルミニウム合金など、高い鍛造性を有する材料を優先してください。.

このような用途では、展性は二次的な評価基準となり、主にフランジ端部の引張限界に影響を与えます。部品に引張用の穴や、板厚の5倍未満の直径を持つ膨らみ部がある場合には、割れを防止するために材料の延び率は20%以上である必要があります。.

鍛造部品向け

鍛造部品には、熱間・冷間いずれの状態でも優れた鍛造性を示す材料が必要で、金属が折り返しを起こすことなく金型内腔を完全に充填できる性能が求められます。.

• 熱間鍛造工程では、4140や4340などの合金鋼が1000℃から1200℃の温度範囲で優れた鍛造性を示し、一時的に延び率が50%を超えることもあります。.
• 冷間鍛造工程では、室温下で高い圧縮ひずみに耐えながら割れを生じさせないため、純アルミニウム、低炭素鋼、黄銅などが好ましい材料です。.

鍛造において展性は二次的な評価基準であり、主にスクラップ除去工程に影響を与えます。展性の高い材料は、スクラップ除去後のエッジ品質をより良好に保ちやすい傾向があります。.

結論

展性と展延性はともに材料の塑性変形能力ですが、それぞれ応力の種類や製造方法において違いがあります。展性は引張応力下での変形能力を示し、展延性は圧縮応力下での成形能力を示します。これらの特性の差異は、CNC切削加工、板金成形、圧延、鍛造といった各工程に直接影響を及ぼします。.

実際の製造現場では、板金部品は鍛造性を重視し、CNC切削加工では展性と切りくず管理のバランスを重視します。これら二つの側面の違いを理解することで、材料選定や加工プロセス、さらには最終製品の性能を最適化することが可能になります。.

FAQ

延性と展性は同じものか？

伸張性とは、材料が引張破壊に耐える能力を指し、伸び率または断面減少率によって定量化される。展延性とは、材料が圧縮破壊に耐える能力を示し、圧縮変形の程度によって評価される。.

最も延性の高い金属はどれか？

純金、純銀、純銅は、すべての金属の中で最も展延性が高い3つの材料である。それぞれの伸び率は、金で約45%、銀で50%から55%、銅で45%から60%である。焼なまし処理を行った低炭素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼も高い展延性を有する材料であり、伸び率は30%から60%の範囲に及ぶ。.