アルミのネジ穴・ボルトの強度は？設計と使用のポイント

加工について

2023.11.29

鉄やステンレス等、他の金属と比較した場合のアルミのネジ穴強度は、どのくらいなのでしょうか。

今回は、アルミ素材の基本的な特徴からネジ穴として使用した場合の長所と強度的な問題点、そして強度を高めるための設計・使用時のポイントまで、まとめて紹介していきます。

1 アルミ素材の強度と特徴についての基礎知識
2 他素材とアルミ製ネジ穴の強度の違い
3 アルミのネジ穴強度が他の金属より低い理由
4 アルミのネジ穴強度を上げるポイント
5 鋼管加工のベストアドバイザー宮脇鋼管へ

アルミ素材の強度と特徴についての基礎知識

アルミには鉄や銅等の他の金属に比べて軽量で、熱伝導性・放熱性・導電性・腐食性・耐食性・反射性が高い上、磁気を帯びず、食料品や人体を害さないといった特性があります。

一方で、純度が高いものほど柔らかく延性も高いため、各種部品に成形したり、板材や管材を加工する場合には、他の金属を配合した「アルミニウム合金」を使うのが一般的です。

アルミニウム合金の代表的な種類や、各種の概要については、以下を参考にしてください。

代表的なアルミニウム合金の番手と概要

1000番手系：純度99％以上の純アルミニウム。強度が低く、加工には不向き
2000番手系：銅を配合したアルミニウム合金。切削加工には向くが、耐食性が低い
3000番手系：マンガンやマグネシウムを加えたアルミ合金。成形加工に適している
4000番手系：シリコン配合のアルミ合金。耐熱性・耐摩耗性が高く、鍛造ピストン向き
5000番手系：マグネシウムを配合したアルミ合金。溶接や切削等、各種加工がしやすい
6000番手系：マグネシウムとシリコン配合のアルミ合金。押出成型加工に適した種類
7000番手系：マグネシウムを配合し、さらに熱処理を施した合金。最高強度とされる

なお、アルミに雄ねじを受けるためのネジ穴（内側にらせん状のネジ山を付けた穴、雌ねじのネジ穴）を開ける場合には、穴あけ加工・タップ加工といった各種切削加工を施します。

しかしアルミの切削加工時には、切りくずが摩擦熱で溶けて工具に付着する「溶着」が起こりやすくなります。そのため、アルミにネジ穴を開ける際には純度の高い1000番手系ではなく、マグネシウムを加えて強度を高めた5000番手系のアルミニウムを使うケースが多いでしょう。

他素材とアルミ製ネジ穴の強度の違い

ネジ穴の強度を考える際に指標の一つとなるのが、金属が持つ「強度」と「熱膨張率」です。

材料には、大きく引張・圧縮・せん断の3つの力が働いています。金属の強度とは、その金属がどの程度の引張や圧縮の力に耐えることができ（応力）、どの程度の力でせん断されて（ちぎれて）しまうのかを調べ、数値化したものと考えれば良いでしょう。

そして熱膨張率は、温度上昇に伴って変化する物体の大きさ・長さの温度あたりの値のこと。
より端的に表すと、その金属が周囲の気温や金属自体の温度変化によってどの程度膨張・圧縮されてしまうかを数値化したものです。

金属の強度や熱膨張率は、種類によって大きく異なります。アルミの場合、最高強度を誇る7000番手系や超々ジュラルミンを含む5000番手系等の一部例外を除けば、鉄等の他の金属よりも強度が低く、熱膨張率は2倍近く高いとされています。

つまり、他の金属を使ってねじとネジ穴を製作・締結した場合よりも、アルミのねじやネジ穴を使って締結した場合の方が、強度的には劣ってしまうのです。ねじを締結する上で強度を重視するのであれば、アルミではなく鉄等で作られたねじ・ネジ穴を使う方が良いでしょう。

また熱膨張率の観点においても、アルミのネジ穴と他の金属のボルトを組み合わせて使うことは推奨されません。

アルミのねじ・ネジ穴への需要は高まっている

強度においては他金属に劣るアルミ製のねじ・ネジ穴ですが、以下のような長所もあります。

アルミ製ユニット製品を組む際に使えば、分別不要で溶解とリサイクルができる
鉄の1/3ほどの重量しかなく、機械の軽量化と稼働エネルギーの削減に役立つ

特に近年では、世界的な環境問題への意識の高まりを受けて、機械の維持費やリサイクルコストの削減に役立つアルミ製のねじ・ネジ穴の需要は、高まってきていると言えます。

なお、アルミ製のねじ・ネジ穴の具体的な用途としては、車や飛行機、工作機械等の他、磁気の影響を受けやすい医療機器の部品や建材・構造体等、幅広い製品が挙げられるでしょう。

アルミのネジ穴強度が他の金属より低い理由

アルミ製のネジ穴強度が他の金属のネジ穴より低くなる原因としては、単に数値的に見て強度が低いということ以外に、下記のような理由も挙げられるでしょう。

ネジ山の加工や維持が難しくなるから

一般的にネジ穴は、穴あけ加工で開けておいた下穴にタップ加工を施し形成していきます。

つまり、ドリルで開けた穴の中にらせん状の溝（ネジ山）を彫っていくのですが、アルミのタップ加工時には溶着によるバリや構成刃先の発生リスクが高く、難しい加工となります。

また、ボルトを締める時のトルクにも注意が必要です。柔らかい素材でできたアルミ製のネジ穴は、他の金属と同じように強いトルクで締結するとネジ山が潰れてしまうかもしれません。

その強度の低さゆえに、アルミのネジ穴は製作時・使用時ともに配慮が必要になると理解しておくと良いでしょう。

●関連記事：「タップ加工のやり方とは？タップの種類や手順について解説」

熱膨張率の違いが、ゆるみの原因となるから

アルミと鉄等、熱膨張率の異なる金属をねじで締結するとゆるみが起こりやすくなります。

ねじやボルトのゆるみとは、締め付けた時に発生した雄ねじ軸部の引張力が何らかの理由で低下し、ボルトと被締結部との間に隙間が生じてしまうことです。

例として、アルミ製の被締結部に鉄系素材のボルトを締結した場合を考えてみましょう。
温度上昇時、アルミの被締結部が膨張することにより、ボルトの座面には締結時よりも大きな圧縮荷重がかかり、座面がアルミにめり込むような状態になります。

しかし、温度が低下するとアルミがもとの大きさに戻るため、座面とアルミの間にボルトがめり込んでいた分だけ隙間が生じ、ゆるみが発生してしまうのです。

このようなねじのゆるみは、ネジ穴はもちろん、ねじを締結した機械や構造物、建造物全体の強度や安全性を損なう原因となります。特に温度変化が大きい使用条件下においては、アルミにあけたネジ穴と他金属製のボルトとの間にゆるみが発生しやすいため、非常に危険です。

アルミのネジ穴強度を上げるポイント

ここからはアルミのネジ穴の強度を高めるために、ネジ穴の設計・使用時にできる4つの対策を紹介していきます。

ネジ穴の長さ（深さ）を長くする

強度の弱い材料にネジ穴を開ける際は、ネジ穴の深さを長くすることが推奨されます。

アルミにネジ穴を開けるときは、使いたいねじの長さよりも長めにネジ深さを設計し、下穴を開けておくと良いでしょう。

なお、下穴径の大きさ・深さは、出来上がるネジ穴の精度に大きく影響を及ぼします。
素材がアルミであっても十分な強度を持ったネジ穴にできるように、また、きちんと使いたいネジのサイズに合った下穴になるように、慎重に穴あけ加工を行ってください。

タップ加工ではなくリコイル（インサート）を使用する

強いトルクでの締め付けが必要だったり、製品の構造や仕様上、何度もボルトを着脱する可能性が高い場合には、アルミにタップ加工をせず「リコイル」を使うことをおすすめします。

リコイルとは「ねじインサート」や「ヘリサート」とも呼ばれる既製品のネジ穴であり、ネジ穴を作りたい箇所に埋め込むだけで、ネジ山を製作することができる部品です。

ただし下穴にリコイルを埋め込むには、S型挿入工具という専用工具が必要になります。
もし、今後もアルミにネジ穴を開ける予定があるようなら、リコイルとS型挿入工具がセットになったリコイルキット等もありますので、購入を検討してみましょう。

●関連記事：「金属にネジ穴を開けるには？｜手順とタップ加工時の注意点」

設計段階から強度の補強を考える

ネジ深さの調整やリコイルの使用以外にも、アルミのネジ穴強度を高めるためにできる対策はいくつかあります。具体的には、以下のような加工方法や材料の変更が挙げられるでしょう。

タップ加工を避け、圧入スペーサーやスクリューグロメットの使用を検討する
使用するアルミ材はできるだけ厚くし、曲げ等、他の加工で代用できないか考える
アルミの上下に強度の高い別素材をかませて、その素材にタップ加工を実施する

なお、製品を作るのにアルミのネジ穴が必要な時は、これらの強度対策を設計段階から十分に検討しておくことをおすすめします。

そうすることで、加工段階になってから対策を考えたり、強度不足からアルミのネジ穴を開け直すことによる時間的・費用的なコストを削減できるでしょう。

アルマイト処理で耐食性や硬度を高める

アルマイト処理とは、人工的にアルミニウム表面へ陽極酸化被膜を作る処理のことです。

アルミは、空気に触れると表面に薄い酸化被膜を作る性質を持っています。そのため、他の金属よりも高い耐食性を持つとされますが、自然に精製される酸化被膜は非常に薄く、腐食への予防効果は十分ではありませんでした。そこで、アルミが持つ性質を利用し、人工的に厚い酸化被膜を作り、以下のような性能を付与する目的でアルマイト処理を施す場合があるのです。