機械設計では、使用するねじの強度を適切に選定することが極めて重要です。強度の低いねじを使うと、荷重に耐えられずに破損してしまう可能性があり、逆に強度が過剰なねじを使用するとコストが無駄になります。強度区分は、ねじの強度を規定する指標であり、ねじの選定に役立ちます。この記事では、ねじの強度区分について詳しく解説し、どのように選定すればよいかを説明します。
強度区分とは？
ねじの強度区分とは、引張強度や降伏強度といった機械的特性に基づいてねじを分類するための基準です。これにより、特定の荷重条件や使用環境に適したねじを選定する際に、強度の目安となります。
強度区分は2つの数字で表され、たとえば「8.8」や「10.9」と記載されます。
- 最初の数字（例：8.8の「8」）：最大引張強度の100分の1（N/mm²）
- 2つ目の数字（例：8.8の「8」）：降伏強度と引張強度の比率を表し、降伏強度を最大引張強度の割合で示しています。
引張強度
引張強度とは、ねじが破断する前に耐えられる最大の引張荷重を指します。ねじに対して引っ張りの力が加わり、材料が伸びきって最終的に破断するまでの最大の力が引張強度です。
降伏強度
降伏強度とは、ねじが塑性変形を始める荷重のことを指します。降伏点を超えると、ねじが永久に変形して元の形に戻らなくなりますが、引張強度に達する前に変形は始まります。この降伏強度は、安全な設計を行うために非常に重要な指標で、引張強度に対してどれくらいの荷重で変形が始まるかを示します。
引張強度と降伏強度の違いと設計への影響
引張強度と降伏強度の違いは、設計において安全係数を考慮する際に非常に重要です。通常、ねじが降伏する前に安全に使用できる範囲内で設計を行い、降伏強度を基準に選定します。
- 引張強度はねじが破壊するまでの最大限の強さを示すものであり、
- 降伏強度はねじが永久変形を始める点を示します。
したがって、荷重が降伏強度を超えないように設計することが、ねじの耐久性や機械全体の安全性を確保するためのポイントです。
鋼鉄製ねじの強度区分表
| 強度区分 | 引張強度 | 降伏強度 |
| 4.8 | 400 N/mm² | 320 N/mm² |
| 8.8 | 800 N/mm² | 640 N/mm² |
| 10.9 | 1000 N/mm² | 900 N/mm² |
| 12.9 | 1200 N/mm² | 1080 N/mm² |
鋼鉄製ねじの強度区分
鋼鉄製のねじは、一般的な機械設計で最もよく使われる材料であり、強度区分ごとに幅広い種類があります。鋼鉄製ねじの強度区分は主に「4.8」「8.8」「10.9」「12.9」といった区分に分かれます。これらの区分は、ねじの引張強度や耐荷重能力に基づいて分類されます。
強度区分 4.8
- 引張強度：400 N/mm²
- 降伏強度：320 N/mm²（400 × 0.8）
強度区分4.6は、比較的弱いねじであり、低負荷での締結に使用されます。一般的な用途ではあまり使用されないため、主に軽量の構造物や日常品で使われます。
強度区分 8.8
- 引張強度：800 N/mm²
- 降伏強度：640 N/mm²（800 × 0.8）
強度区分8.8は、中程度の強度を持つねじであり、機械や装置の一般的な用途で広く使われます。機械設計ではこの強度区分のねじが標準的に選ばれることが多く、耐荷重がそれほど高くない部分に適しています。
強度区分 10.9
- 引張強度：1000 N/mm²
- 降伏強度：900 N/mm²（1000 × 0.9）
強度区分10.9は、強度が高いねじであり、高負荷がかかる機械や自動車のエンジン周り、産業機械などで使われます。耐久性が求められる設計に最適であり、機械設計でも厳しい条件下で使用されることが多いです。
強度区分 12.9
- 引張強度：1200 N/mm²
- 降伏強度：1080 N/mm²（1200 × 0.9）
強度区分12.9は、非常に高い強度を持つねじで、超高負荷がかかるような状況で使用されます。産業機械、重機、航空機、または非常に高い引張力がかかる部品に用いられます。
ステンレスねじの強度区分
ステンレスねじも鋼製ねじと同様に、引張強度や降伏強度に基づいて強度区分が定められていますが、ステンレスの特性上、通常の鋼ねじに比べて引張強度が低めです。そのため、特定の用途では鋼製ねじよりも劣る場合がありますが、耐食性や耐熱性の利点を持っています。
ステンレスねじの主な強度区分は、A2およびA4と呼ばれる種類があり、それぞれに強度グレードが定められています。
強度区分 A2-50
- 引張強度：500 N/mm²
- 降伏強度：210 N/mm²
最も一般的なステンレスねじで、耐食性に優れている一方、引張強度は鋼鉄製ねじに比べて低めです。軽負荷の用途や屋外使用に適しています。
強度区分 A2-70
- 引張強度：700 N/mm²
- 降伏強度：450 N/mm²
A2-50に比べて引張強度が高く、機械設計や産業用途で使用されます。耐食性と強度のバランスが良い点が特徴です。
強度区分 A4-70
- 引張強度：700 N/mm²
- 降伏強度：450 N/mm²
モリブデンを含むA4材質のねじで、A2よりもさらに高い耐食性を持ち、海洋環境や化学プラントで使用されます。引張強度はA2-70と同等ですが、耐食性が向上しています。
強度区分 A4-80
- 引張強度：800 N/mm²
- 降伏強度：600 N/mm²
A4材質の中でも最も高強度のねじで、過酷な環境でも高い耐久性を発揮します。
鋼鉄製ねじとステンレス製ねじの比較
鋼鉄製ねじとステンレス製ねじは、それぞれの強度区分が異なる特性を持っています。用途に応じて、どちらを選定すべきかは慎重に判断する必要があります。
| 性質 | 鋼鉄製ねじ | ステンレス製ねじ |
| 引張強度 | 高い（10.9以上は非常に高い） | 比較的低い |
| 耐食性 | 低い（さびやすい） | 高い（耐食性に優れる） |
| 使用環境 | 屋内や負荷の大きい構造 | 屋外や腐食環境 |
| コスト | 一般的に安価 | 一般的に高価 |
強度区分の選定ポイント
ねじの強度区分を選定する際には、以下のポイントを考慮する必要があります。
荷重に応じた選定
設計で要求される荷重に対して、ねじがどれだけ耐えられるかを計算し、その結果に基づいて強度区分を選定します。一般に、引張荷重やせん断荷重を考慮し、強度に十分な余裕があるかを確認します。
使用環境
ねじが使用される環境も重要な要因です。たとえば、振動や衝撃が頻繁に発生する場所では、疲労強度の高いねじを選ぶ必要があります。また、高温や腐食環境では、耐熱性や耐食性のある材料を使ったねじを選定することが推奨されます。
ねじの大きさ
ねじのサイズも強度に影響を与えます。同じ強度区分のねじであっても、大きな径のねじほど引張強度やせん断強度は大きくなります。設計条件に応じた適切な径のねじを選定することが大切です。
材料と熱処理
ねじの強度区分は、使用される材料や熱処理によって決まります。強度区分の高いねじには、合金鋼や熱処理が施され、引張強度や降伏強度が向上します。
たとえば、強度区分8.8以上の高強度ねじは、SCM435（クロムモリブデン鋼）が使用されることが多く、一般的な低炭素鋼のねじでは、強度区分4.6や8.8が該当します。
まとめ
機械設計において、ねじの強度区分を理解し、正しく選定することは、設計の安全性と効率性を確保する上で非常に重要です。引張荷重やせん断荷重、使用環境を考慮して、適切な強度区分のねじを選ぶことが必要です。
- 低負荷や軽量な設計には4.6や5.8のねじ
- 一般的な設計には8.8のねじ
- 高負荷がかかる設計には10.9や12.9のねじ
といったように、用途に応じて最適な強度区分のねじを選定し、安全で効率的な設計を実現しましょう。
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