鋼材選定ガイド|SS400・S45C・SCM435の使い分け

鋼材選定ガイド|SS400・S45C・SCM435の使い分け|有限会社アルプス 技術コラムコラム

先に結論

  • SS400(汎用構造鋼):フレーム・板材・ブラケット
  • S45C(機械構造用炭素鋼):シャフト・治具・一般機械部品
  • SCM435(クロムモリブデン鋼):高強度ボルト・ギア・スタッドボルト
  • SKD11(ダイス鋼(工具鋼)):プレス金型・抜き型・ゲージ

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有限会社アルプス(東京都荒川区)は、1993年に自動車用の特殊工具の設計・開発から始まった機械工具の商社です。金属加工品の製作も手がけています。

この記事の立場
お客様の図面を預かり、協力工場で加工品を製作する側から書いています。
加工
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窓口
材料のご相談から出荷まで、当社ひとつです。

材料選定で「とりあえずS45C」が起きる理由

機械設計の現場では、「S45Cを使っておけばとりあえず大丈夫」という判断がよく見られます。汎用性が高く、加工もしやすいS45Cは確かに優れた選択肢ですが、強度が足りずにトラブルになるケースと、オーバースペックでコストが膨らむケースの両方が起きています。

鋼材の選定は「材料の強度・硬さ・加工性・熱処理対応・コスト」の5軸で考えるのが基本です。このコラムでは代表的な4種類の鋼材を例に、どう使い分けるかを整理します。

代表4鋼材の特性と使いどころ

JIS G 3101

SS400

一般構造用圧延鋼材

引張強さ:400〜510 N/mm²(最低保証値400)
炭素含有量:規定なし(一般に0.25%以下)
熱処理:原則不可(焼き入れ効果なし)
溶接性:◎ 良好(最も溶接しやすい)
材料コスト:◎ 最安(入手性も最高)
主な形状:板材・Hビーム・アングル・チャンネル
使いどころ:フレーム・架台/ブラケット/カバー・板金/溶接構造物/強度が不要な部位

JIS G 4051

S45C

機械構造用炭素鋼

引張強さ:690〜850 N/mm²(焼き入れ焼き戻し後)
炭素含有量:0.42〜0.48%(中炭素鋼)
熱処理:○ 焼き入れ可(HRC55程度まで)
溶接性:△ 予熱が必要(割れリスクあり)
材料コスト:○ 安価(最も入手しやすい丸棒)
主な形状:丸棒・角棒・六角棒・板材
使いどころ:シャフト・軸類/治具・ゲージ/ピン・ボルト(低強度用)/一般機械部品/キー・スプライン

JIS G 4105

SCM435

クロムモリブデン鋼

引張強さ:930〜1130 N/mm²(焼き入れ焼き戻し後)
合金成分:Cr:0.9〜1.2% Mo:0.15〜0.30%
熱処理:◎ 焼き入れ性に優れる(大径材でも均一硬化)
溶接性:△ 予熱・後熱管理が必要
材料コスト:△ S45Cの約1.5〜2倍
主な形状:丸棒・六角棒(ボルト用)
使いどころ:高強度ボルト(12.9級相当)/ギア・スタッドボルト/クランクシャフト/高負荷シャフト/大径焼き入れ部品

JIS G 4404

SKD11

冷間ダイス鋼

硬さ(焼き入れ後):HRC58〜62(高硬度・高耐摩耗)
主な合金成分:C:1.4〜1.6% Cr:11〜13%
熱処理:◎ 空冷焼き入れ(変寸が少ない)
耐摩耗性:◎ 抜群(プレス・打ち抜きに最適)
材料コスト:✕ S45Cの5〜10倍
主な形状:板材・角棒・丸棒(金型用途が主)
使いどころ:プレス金型(パンチ・ダイ)/抜き型・切断型/ゲージ・測定工具/高耐摩耗治具/ワイヤーカット加工品

強度・硬さの比較

鋼材引張強さ(N/mm²)硬さ
SS400400-
S45C〜750-
SCM435〜1030-
SKD11-(硬さで表記)HRC60

代表4鋼材の引張強さと硬さ(焼き入れ焼き戻し後の代表値)

SKD11についての補足

SKD11は「引張強さ」より「硬さ(HRC)」で評価されます。工具鋼は靭性と耐摩耗性の設計ですので、SS400〜SCM435とは用途の次元が異なります。金型・ゲージ以外に使う必要はほとんどありません。

4鋼材の詳細比較表

比較項目SS400S45CSCM435SKD11
JIS規格G 3101G 4051G 4105G 4404
引張強さ(目安)400〜510 N/mm²690〜850 N/mm²930〜1130 N/mm²硬さで管理 HRC58〜62
焼き入れ対応✕ 不可△ HRC55程度まで◎ 大径でも均一◎ 空冷・変寸少
溶接性◎ 最良△ 予熱必要△ 予熱・後熱必要✕ 原則不可
切削加工性◎ 容易○ 良好△ やや難(工具選定)✕ 焼き入れ後は困難
耐摩耗性✕ 低△ 中(表面硬化で改善)○ 中〜高◎ 最高
靭性(割れにくさ)◎ 高○ 高(調質後)◎ 高△ やや脆
材料コスト(丸棒φ50比較)◎ 最安○ 安△ S45Cの1.5〜2倍✕ S45Cの5〜10倍
水素脆化リスク(高強度時)低(強度低)HRC≧40で要注意HRC≧40で高リスクHRC60超で高リスク

材料を選ぶ判断フロー

以下の3つの問いで、大半の部品の鋼材を絞り込めます。

QSTEP 1 その部品に強度・硬さが必要か?

ANo(強度不要・溶接構造・カバー・架台)→ SS400 で十分。最安・溶接性最良。
Yes(強度・硬さ・疲労強度が必要)→ STEP 2 へ

QSTEP 2 高強度(引張強さ 900 N/mm² 超 or HRC40超の焼き入れ)が必要か?

ANo(中程度の強度(シャフト・軸・治具等))→ S45C(調質材) が標準解。コスパ最良。
Yes(高負荷・高強度ボルト・大径部品)→ SCM435。水素脆化リスクに注意(脱水素処理)。

QSTEP 3 高耐摩耗性が必要か?(プレス金型・抜き型・精密ゲージ)

ANo(耐摩耗より靭性・コストを優先)→ SCM435 または S45C(焼き入れ)で対応。
Yes(金型・ゲージ・超高耐摩耗部品)→ SKD11(もしくはDC53・SKH51等)。ワイヤーカット加工前提。

設計現場でよくある選定ミス

  • ① S45Cで高強度ボルトを作る

    S45Cは焼き入れしてもHRC55程度が限界で、引張強さは850 N/mm²前後です。12.9級相当(引張強さ1220 N/mm²)のボルトはSCM435が必要です。S45Cで代用すると疲労破断の原因になります。

  • ② SS400を強度部材に使う

    SS400は「一般構造用」であり、強度規定の下限保証はありますが、成分(炭素量など)の規定がなく、同一ロット内でのばらつきも大きいです。精度・強度が求められる機械部品にはS45C以上を使うのが原則です。

  • ③ SKD11を金型以外に流用する

    SKD11は高価・加工困難・靭性が低く、強度部材への流用はコストと割れリスクを招きます。耐摩耗が必要な一般部品であれば、S45C+高周波焼き入れ+硬質クロムメッキの組み合わせで代替できるケースが多いです。

水素脆化に注意

SCM435やSKD11などHRC40超の高硬度材に電気亜鉛メッキ(ユニクロ・三価クロメート)を施す場合、メッキ後の脱水素処理(190〜230℃×8〜24時間)が必須です。処理を省略すると遅れ破壊(突然の脆性破断)が発生します。詳しくは当コラム「水素脆化とは?」を参照ください。

まとめ:鋼材選定の基本ルール

要点

  • 強度不要・溶接・カバー類 → SS400(最安・溶接性◎)
  • 一般機械部品・シャフト・治具 → S45C(汎用性・コスパ最良)
  • 高強度ボルト・高負荷軸・大径部品 → SCM435(水素脆化対策必須)
  • プレス金型・抜き型・精密ゲージ → SKD11(コスト高・加工難だが耐摩耗◎)
  • HRC40超の部品にメッキ処理する場合は必ず脱水素処理を

本コラムは情報提供を目的としており、実際の設計・選定は個別の使用条件に合わせて専門家にご相談ください。

有限会社アルプスでは、材質指定の段階からご相談を承ります。「S45CとSCM435のどちらを選ぶべきか」「表面処理との組み合わせ」など、加工業者・メッキ業者と連携した最適提案が可能です。お気軽にお問い合わせください。