ハウジングには通常、何かを保持する以上の役割が求められる。アースへの通電、センサーからの放熱、回路のシールド、千回締め付けられるねじ部の保持、そして取り付け環境での耐久性などである。銅、黄銅、アルミニウムはこれらの役割に異なる優先順位で応えるが、一般には価格の階段として論じられ、価格が最後に判断すべき要素となっている。判断を決めるのは、ハウジングが導通すべきもの、許容される重量、そして濡れた場所で異種金属にボルト締めされるかどうかである。本比較では、これら3つの金属を機能に照らして読み解き、次に深絞りプレス下でそれぞれがどう挙動するかを見る。紙の上で勝る金属でも、金型では負けることがあるからだ。
銅 vs 黄銅 vs アルミニウムハウジング：どの金属がどの機能に合うか？
銅、黄銅、アルミニウムはハウジングの役割を3通りに分ける。決め手となる数値は、%IACSで表す電気伝導率、W/m·Kで表す熱伝導率、そして密度である。C11000などの銅は約100%IACS、390W/m·K、密度8.96g/cm³で、ハウジングが電流路またはシールドを兼ねる場合の選択肢となる。アルミニウム1050Aは約61%IACS、230W/m·K、2.70g/cm³で、密度は約3分の1、伝導率は約4分の1となり、重量と材料コストが優先される用途で選ばれる理由がここにある。黄銅CuZn37は約27～28%IACS、120W/m·K、密度約8.4g/cm³で、他の2つにない特長、すなわち快削ねじ部、剛性、制振性のために選ばれる。これら3つすべてを覆す条件は接合部である。アルミニウムを銅や黄銅に濡れた状態で接触させてはならない。
各金属は実際にどのように指定するか
ハウジング図面には、色ではなく合金と質別（テンパー）を指定すべきである。絞りハウジングにおける銅は通常、電気用タフピッチ銅C11000、または後工程でろう付けや水素雰囲気焼鈍を行う場合は無酸素銅C10100を意味し、いずれも銅約99.9%である。黄銅は単一材料ではなく一群であり、CuZn37とカー�リッジ黄銅CuZn30が成形用グレード、快削黄銅は鉛を2～3.5%添加した合金で、絞り壁ではなくねじ部が重要となる機械加工ハウジング用に購入される。アルミニウムはグレードと質別を一体で指定する。両者は切り離せないためである。1050Aと3003は最も絞りやすく、5052は強度と耐食性を加え、6061は完全焼鈍で供給されない限り、通常は絞りではなく機械加工となる。O、H14、H32など質別名で指定すること。同じグレードでも質別が違えばプレス下の挙動はまったく異なる。
ハウジングを決める3つの数値
- 電気伝導率：C11000銅で約100%IACS、1050Aアルミニウムで61%、5052で約35%、黄銅CuZn37で27～28%。これに対し、DC04軟鋼は約10%IACS、304ステンレスは2～3%である。ハウジング自体が電流を流す、または筐体を通じてアースに接続する場合、この差は細部ではなく判断そのものである。
- 熱伝導率：銅C11000で約390W/m·K、1050Aで230W/m·K、3003で190W/m·K、アルミニウム6061-T6で167W/m·K、黄銅で約120W/m·K。限られた容積内では銅が最も速く熱を移動させる。アルミニウムは1kgあたりで十分な熱を移動させ、ポータブル設計では多くの場合この数値が実際に重要となる。
- 密度：銅8.96g/cm³、黄銅約8.4g/cm³、アルミニウム2.70g/cm³。同じ形状のアルミニウムハウジングは銅製の3分の1未満の重量となり、材料価格だけでなく、取付荷重、落下挙動、輸送コストも変える。
伝導率ではなく、1kgあたりの伝導率
質量基準で比較すると順位は変わる。ポータブル機器や車載ハウジングは通常この基準で評価される。アルミニウムは銅に比べ、1kgあたり約2倍の熱と約2倍の電流を担える。密度の優位が伝導率の不足を上回るためである。容積が制約となり質量が問題にならない一定の容積内では、銅が絶対的な伝導率で依然として勝る。黄銅はあらゆる点で両者に劣るため、黄銅ハウジングは伝導率の数値ではなく、剛性、制振性、被削性のために指定される。要件が熱抵抗や単位質量あたりの通電目標として書かれるなら、通常はアルミニウムが勝つ。固定空間における接合部の減衰量や抵抗として書かれるなら、銅が勝つ。
銅、黄銅、アルミニウムは深絞りプレス下でどう挙動するか
3つとも絞り加工は可能だが、それぞれに固有の不具合の出方があり、トライアウトで発見するのではなく設計で回避しなければならない。
- 銅：焼鈍したC11000ブランクは深くきれいに絞れるが、再結晶粒が成長しやすい。そのため粗粒のストリップはオレンジピールを起こし、粗く凹凸のある表面となってしごき後も現れ、経済的に研磨で除去できない。管理された粒度で購入し、工程間焼鈍を工程に入れておくこと。
- 黄銅CuZn37：カー�リッジ黄銅は初期の深絞り材料であり、成形性は実証済みだが、加工硬化が速く、背の高いカップは通常、工程間の中間焼鈍を必要とする。快削鉛入り黄銅は絞り用グレードではない。機械加工する部位がある場合にのみ指定すること。
- アルミニウム：1050Aと3003は深いカップに難なく絞れる。5052はより大きなコーナーRと優れた潤滑を必要とし、6061は完全焼鈍でない限り通常は絞りではなく機械加工となる。スプリングバックは鋼や黄銅より大きいため、パンチRとダイクリアランスでそれを考慮し、かじりは適切な潤滑剤で抑制する必要がある。
- 肉厚減少と伝導率：しごき加工は3つの金属すべてで強度を高めるが、転位密度を増やし伝導率を下げる。したがって伝導率の要件は、入荷ストリップではなく、試験方法を明記した完成・焼鈍後の部品に適用すべきである。
ガルバニック腐食は数値判断を覆すルールである
銅合金はガルバニック系列の上部に位置し、アルミニウムはそれよりはるかに下に位置する。そのため、銅または黄銅ハウジングがアルミニウムと電気的に接触し、水分や塩化物が存在すると、アルミニウムを腐食させる。アルミニウムがアノードとなり、ハウジングよりはるかに早く接合部が破壊される。実務的な対策は、絶縁ワッシャー、スリーブ、コーティングで電気経路を遮断すること、アルミニウム接触面にめっきまたはコーティングを施すこと、あるいは電解質が接合部を橋渡しできない乾燥した密閉筐体内でのみ異種金属対を許容することである。黄銅または銅とステンレス鋼の組合せはより穏やかな対だが、無害ではない。塩化物を含む環境では黄銅は脱亜鉛腐食も起こし、銅色の表面が無傷に見えても、指定した強度を失っていることがある。
ハウジングコストを実際に左右するもの
原材料費は最初の差であり、最大の差でもある。1kgあたり、アルミニウムは銅の約4分の1～3分の1の価格で、黄銅はその中間にあり、両方の金属価格に連動する。この差は完成部品では3つの理由で広がったり縮まったりする。第一は成形と焼鈍の工数である。黄銅は通常、追加の工程内焼鈍を必要とし、銅は管理された粒度と清浄な潤滑皮膜を必要とし、アルミニウムはRと潤滑の注意深い管理を必要とする。第二はスクラップと端材の価値で、3つとも高く、ブランク価格の一部を相殺する。第三は、しばしば決定的となる二次加工である。ハウジングにねじ、平面、機械加工穴が必要な場合、快削黄銅は1kgあたりのコストが高くても見積全体で勝つことが多い。他の2つでは許されない加工速度で機械加工できるためである。
絞りハウジングの図面で材料を指定する方法
- 合金と質別を指定し、色ではありません。C11000の硬質または焼鈍、CuZn37 1/2H、1050A H14、5052 H32、6061-T6。証明書の照合先となる板材規格を追加してください。ミルシートを鑑賞するのではなく検証できるようにするためです。
- 金属に求められる機能を明記してください。導電率の数値、シールド要件、熱経路、ねじ等級、腐食等級などです。ねじを保持するだけの筐体に銅の導電率は不要であり、そのコストを支払うことは安全余裕ではなく設計ミスです。
- 筐体が磁気回路の一部かどうかを記載してください。銅、黄銅、アルミニウムはいずれも非磁性であり、磁束経路として使用できません。筐体が磁気回路内にある場合、適切な材料は軟磁性鋼であり、この3材のいずれでもありません。
- 部品だけでなく接合部も図面化してください。相手材、コーティング、ワッシャーを明記してください。異種金属接触対は組立レベルで決まり、後から筐体サプライヤーが解決できるものではありません。
- 導電率や熱要件は、成形・焼鈍後の条件として、試験方法と測定位置を付けて記載してください。プレスに入る前の板材ではなく、完成部品で検証するためです。
Balfordの加工範囲
Balfordは浙江省諸暨市で、直径250mmまでのハウジングを25t～350tのプレスで深絞り・しごき加工しています。金型は社内で設計・製作しているため、材料選定、絞り工程、焼鈍位置は3つの発注ではなく1つの設計判断です。銅、黄銅、アルミニウム1050・3003・5052・6061、軟鋼DC01・DC04、ステンレス304・316Lに対応し、金型を製作する前に実現性レビューを行います。正確を期すため2点明記します。当社はISO 9001:2015を取得しており、品質管理はIATF 16949の要求事項に準拠していますが、IATF 16949認証を主張するものではありません。また、これらの金属に必要な中間焼鈍を含むバルク熱処理は、有資格の外部パートナーが実施し、外注として明示しています。めっきも同様です。部品自体の成形、機械加工、組立、検査は自社工場で行っています。
重要ポイント
機能から金属を選んでください。筐体が電流経路またはシールドで、質量が制約でない場合は銅。重量と材料コストが優先で、接合部を乾燥状態に保てる場合はアルミニウム。コストが導電率よりも機械加工ねじと剛性に費やされる場合は黄銅です。図面をリリースする前に二次ルールを確認してください。3材はいずれも磁性がないため、磁気回路内の筐体には軟磁性鋼が適しています。また、黄銅と濡れた状態でボルト締結されるアルミニウム筐体は、図面に描くだけでなく接合部を絶縁する必要があります。
よくある質問
筐体用途でアルミニウムは銅より優れていますか？
携帯型または車載用の筐体では、通常は「はい」。アルミニウム1050Aは約61% IACS、230 W/m·Kで、密度は銅の約3分の1です。したがって、材料コストの何分の一かで、1kgあたり約2倍の導電率を得られます。固定されたスペース内で性能を確保する必要がある場合や、筐体がEMIシールドを兼ね、接合部間の抵抗を可能な限り低くする必要がある場合は、銅の方が適しています。体積あたりでは銅はアルミニウムの3倍以上導電するためです。
銅とアルミニウムを同じ組立品で使用できますか？
使用できますが、異種金属接触（ガルバニック）対を管理することが条件です。銅はアルミニウムに対して強いカソードとなるため、水分や塩化物が存在するとアルミニウムがアノードになって腐食します。そのため、ワッシャーやスリーブで接合部を絶縁し、アルミニウム面にコーティングまたはめっきを施し、組立品を乾燥状態に保つのが標準的な方法です。密閉された屋内筐体内であれば対は管理可能ですが、湿潤環境や海洋環境の組立品では許容するのではなく設計段階で排除すべきです。腐食は両部品の品質ではなく電位差によって進行するためです。
機械加工筐体に銅ではなく黄銅を使う理由は何ですか？
その筐体のコストは通常、金属そのものより機械加工にあります。快削黄銅は被削性尺度の基準材料であり、ねじ、平面、穴を高速かつきれいに切削できます。一方、純銅は粘りがあり、合金化や特別な処理をしないとむしれやすく、アルミニウムのねじはより注意が必要で、ねじ山が潰れやすいです。黄銅は他の2材より音を減衰させる性能も高く、従来から使用されている音響筐体で今も主流です。
深絞り加工は銅やアルミニウムの導電率を変化させますか？
はい。成形は金属内に転位を蓄積し、抵抗率を高めます。そのため、絞り加工された壁は、切断前の焼鈍済み板材よりも導電率がわずかに低くなり、壁をしごき加工で薄肉化すると影響が大きくなります。中間焼鈍と最終焼鈍で損失の大部分は回復します。完成筐体に導電率の数値を指定する場合は、試験方法を明記した上で、完成・熱処理済み部品に対する要求として図面に記載すべきです。受入材料から取った値は、出荷する部品を表さないためです。
EMIシールドも必要な筐体には、3材のどれが最適ですか？
銅は最も高い減衰量と最も低い接合部抵抗が得られるため、RF・マイクロ波筐体やシールド缶に選ばれます。アルミニウムもシールド性能は高いですが、絶縁性の酸化皮膜を形成するため、筐体をまず処理する必要があります — 導電性化成処理、めっき、またはすべての継ぎ目に導電性ガスケット — これにより、シールドの隙間ではなくシールドとして機能します。黄銅は両者の中間に位置し、コネクタボディや導波管の伝統的材料であり続けています。機械加工インターフェースの周囲に剛性の高いめっきシェルが必要な用途に適しています。