ステンレス、チタン、黄銅のボルト強度と特性をまとめた
人工衛星にはオーステナイト系のステンレス鋼のネジが比較的使われています。
チタンのネジを使う場合もありますが、単純に値段が高いのです。
人工衛星に限らないかもしれませんが、ボルトの選定に使用される設計屋や解析に使われる機械的特性を上げてみます。
- 耐力（Yieid strength or Proof stress）
- 引っ張り強さ（Tensile strength）
- 密度（Density）
- ヤング率（Young's modulus）
- ポアソン比（Poisson's ratio）
- 熱伝達率（Thermal conductivity）
- 比熱（Specific heat）
- 熱膨張係数（Thermal expansion coefficient）
- 耐食性（Corrosion resistance）
- 磁性（Magnetism）
- 太陽光吸収率(Solar absorptance) (α)
- 垂直赤外放射率(Emissivity) (ε)
これらの情報が表にまとまっていれば楽なのに、といつも感じていたのでまとめました。
各数値は参考値です。製造工程により変化するため、目安としてご使用ください。
従来からの機械設計では強度や密度や組成を見ることが多いですが、シミュレーションを考慮するとヤング率以下の物性値が必要です。
表に入れられませんでしたがSUS304とチタン(Titanium)の素地の光学表面特性を記載しておきます。
SUS304(JAXA 材料データベース)
- α：0.333～0.438
- ε：0.099～0.200
チタン(Thermal data)
- α：0.4～0.7
- ε：0.2～0.5
チタンとステンレスはそれほど価格に差がないと思うかもしれませんが、数百、数千本となれば、じりじりとコストが上がる要素です。
ボルトとケーブルハーネスは、重量とコストが意外とかかります。
そして、解析に使用する数値は、公称値あるいはJISの強度区分による値を使用することがあります。
また、宇宙機の場合は、内部に載せたいものが沢山あるため、強度計算時にウッカリ公称値や強度区分を超えてしまうことがあります。
ウッカリ強度を超えてしまった場合は、ミルシート(鋼材検査証明書)などの金属材料の品質証明書類にある強度値などを使用することもあります。
もちろん、マージンを含んだ上で。
ミルシートは鋼材以外の業界では材料証明と呼ぶこともありますし、加工業者や鋼材業者の人によっては材料証明と呼んだ方が通じることもあります。
発行には料金がかかる場合があるので注意が必要です。
ステンレスの不動態被膜と耐食性
そもそもステンレスは合金です。
ステンレスは種類があります。
- 200番台：(Cr-Ni-Mn系)オーステナイト系ステンレス鋼
- 300番台：(Cr-Ni系)オーステナイト系ステンレス鋼
- 400番台：(Cr系)フェライト系およびマルテンサイト系ステンレス鋼
- 600番台：(PH系)析出硬化型ステンレス鋼
オーステナイト系のステンレスは、クロム(Cr)が10.5％以上含まれており、このCrが不動態被膜を発生さ、不動態被膜により表面の腐食を防止することができているのです。
不動態被膜は数nm程度で、表面を傷つけたとしても数分程度で不動態被膜である酸化被膜を生成します。
ただし、完全に腐食に耐性があるわけではありません。
ステンレス鋼とはいえ、腐食(サビ)の発生に注意して取扱う必要があります。
参考
SteelJIS:金属材料データベース
http://steeljis.com/jp/jp_steel_designation_grading.php?gr_id=1
ステンレス条鋼製品の手引き ステンレス協会
http://www.jssa.gr.jp/contents/wp-content/uploads/2013/06/bd844c94a29736dc76dc2e53e9a56fca.pdf
ステンレス鋼 愛知製鉄株式会社
https://www.aichi-steel.co.jp/products/pdf/stainless_catalog.pdf
建築・土木科講師用補助教材 第5章 ステンレスの耐食性
http://www.jssa.gr.jp/contents/wp-content/uploads/2016/08/4NBY_education-corrosion05r11.pdf
酸化皮膜と不動態化－ステンレスはなぜ錆びにくいか？
https://www.susjis.info/etc/fudoutai.html
耐食性とは？
https://shinkosya.co.jp/original19.html
ステンレスの耐食性の比較
https://www.susjis.info/faq/taishoku.html
ステンレス鋼の耐食性
http://www.takasagosteel.co.jp/stain/stain07.html
SUS304とSUS430の意味とは？ 使い分けや特徴も分かりやすく解説！
https://mitsu-ri.net/articles/sus304-sus430
第5回 ステンレス鋼の中でSUS316とSUS304は、どのように使い分けるのですか。
https://www.asahi-kasei.co.jp/aec/e-materials/vol_5.html
SUS304とSUS303の比較と違い｜強度や磁性を使った見分け方について
https://www.toishi.info/metal/sus303_sus304.html
めっき皮膜の耐食性 大阪府立産業技術総合研究所
http://tri-osaka.jp/c/content/files/archives/plating_Corr.pdf
ステンレス鋼の分類
https://www.juuichiya.jp/bolt/bstf06.html
ステンレス鋼種選定
http://sakusesusangyo.co.jp/products/pdf/stainless.pdf
http://www.sts-shimomura.com/products/stainless.html
ステンレスのヤング率、ポアソン比など機械的性質について ステンレス協会
http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q7/
チタンの特性 神戸製鋼所
https://www.kobelco.co.jp/products/titan/characteristic/
切削用・鍛造用 耐脱亜鉛腐食黄銅棒 株式会社キッツ メタルワークス
http://www.kitzmetalworks.com/download/dl/fz-kz2.pdf
特性
https://www.rakuten.ne.jp/gold/nejiya/chiebukuro/info_zaishitsu.html
Thermophysical and Optical Properties of Materials Considered for use on the LDSD Test Vehicle
https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/45725/15-1748_A1b.pdf?sequence=1
Thermal Design, Analysis, and Sensitivity of a Sample Tube on the Martian Surface
https://trs.jpl.nasa.gov/bitstream/handle/2014/47694/CL%2317-2095.pdf?sequence=1&isAllowed=y
