旋盤加工と切削加工の基本的な違いから、それぞれの特徴、適した材料、使用する工具まで徹底解説。金属加工業界での選択肢として、どちらの加工方法が自社の製品に適しているのでしょうか？
IACS 金属加工で比べる材質と導電性能
金属加工における国際標準導電率(IACS)の重要性と各種金属材料の特性を詳しく解説。材質選択から加工技術まで、製品設計に欠かせない知識を網羅。あなたの製品開発に最適な導電性材料は何でしょうか？
金属加工の世界では、材料の電気伝導性が製品の性能を左右することが少なくありません。特に電気・電子機器や放熱部品の設計においては、材料の導電率を正確に把握することが重要です。IACS（International Annealed Copper Standard：国際標準軟銅規格）は、金属の電気伝導性を評価する上で世界的に使用される指標であり、金属加工に携わる技術者にとって必須の知識となっています。
この規格では、純度の高い焼鈍銅（軟銅）の導電率を100%と定め、他の金属材料の導電性をこれと比較して表します。これにより、異なる金属材料間の導電性能を直感的に比較することが可能になります。本記事では、IACS値の基本から実際の金属加工における活用法まで、幅広く解説していきます。
IACS（国際標準軟銅規格）は、20℃における標準軟銅の電気伝導率を100%と定義し、他の金属材料の導電性を相対的に表す単位です。この規格は1913年に国際電気標準会議（IEC）によって制定され、現在に至るまで金属の導電性を評価する国際的な基準となっています。
具体的には、IACS 100%は58.0 MS/m（メガシーメンス/メートル）または0.017241 μΩ・m（マイクロオーム・メートル）の抵抗率に相当します。この値は高純度の焼鈍された銅線の導電率を基準としています。
IACS値の測定には主に次の2つの方法が用いられます。
測定の際の注意点として、温度による影響が大きいため、測定は通常20℃の標準環境下で行われます。温度が1℃上昇するごとに、一般的に銅の導電率は約0.4%低下するという特性があります。
また、金属の純度や結晶構造、加工履歴によってもIACS値は変動するため、正確な測定には適切な校正と環境制御が必要です。
金属材料の電気伝導性をIACS値で比較すると、材料選定の際に非常に役立ちます。主要な金属材料のIACS値を表にまとめると、以下のようになります。
| 金属材料 | IACS値(%) | 特徴 |
|---|---|---|
| 純銀 | 108 | 最高の導電性だが高コスト |
| 純銅（焼鈍） | 100 | 基準となる導電性 |
| 純金 | 78 | 高導電性だが非常に高価 |
| A1070アルミニウム | 62 | アルミ中最高クラスの導電性 |
| 6063-T5アルミニウム | 52-55 | 押出性に優れ、建築用途に多用 |
| A3003アルミニウム合金 | 40 | 強度重視の合金 |
| 真鍮（銅-亜鉛合金） | 23-44 | 組成により導電性が変動 |
| 5083アルミニウム | 19-27 | 耐食性に優れるが導電性は低い |
| ステンレス鋼 | 2-3 | 導電性は低いが耐食性に優れる |
アルミニウムは銅と比較すると導電率は劣りますが、重量が銅の約1/3であることから、単位重量あたりの導電性では銅を上回ることがあります。そのため、軽量化が求められる航空機や自動車の配線部品では、適切な設計によりアルミニウムが選択されることもあります。
また、合金元素の添加は一般的に導電率を低下させます。例えば、アルミニウムにマグネシウムやシリコンを添加した6000系アルミニウム合金（A6063など）は、純アルミニウムと比較して導電率が低下しますが、強度や押出性が向上するというトレードオフがあります。
真鍮の場合、銅含有量が増えるほど導電性が向上し、亜鉛含有量が増えるほど強度が増す傾向にあります。このように、求められる特性に応じて合金組成を調整することが重要です。
金属加工プロセスはIACS値に大きな影響を与えるため、導電性が重要な用途では適切な加工方法の選択が必須です。主な加工技術がIACS値に与える影響について詳しく見ていきましょう。
冷間加工と熱処理の影響
冷間加工（冷間圧延、引抜き加工など）は金属の結晶構造に歪みを生じさせ、電子の移動を妨げるため、一般的に導電率を低下させます。例えば、銅を冷間加工すると、IACS値が100%から85%程度まで低下することがあります。
一方、熱処理（焼鈍）は結晶構造を回復させ、導電率を向上させる効果があります。適切な温度と時間で焼鈍処理を行うことで、冷間加工による導電率低下を回復させることが可能です。
表面処理と導電性
表面処理も導電性に大きな影響を与えます。例えば、アルマイト処理（陽極酸化処理）を施したアルミニウムは表面に絶縁性の酸化被膜が形成されるため、電気接点として使用する部分では導電性が著しく低下します。接点部分には適切なマスキングや処理後の除去加工が必要になります。
機械加工と導電性
切削や研削などの機械加工は、表面に加工硬化層を形成し、局所的に導電率が低下することがあります。また、加工熱による組織変化も導電率に影響します。特に銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い材料では、適切な冷却を行いながら加工することが重要です。
ウェットエッチングとCNC加工の比較
微細加工においては、ウェットエッチングとCNC加工のどちらを選択するかが重要です。ウェットエッチングは化学的な手法で金属を除去するため、機械的応力による導電率の低下を回避できるメリットがあります。一方、CNC加工は高い精度で複雑な形状を作ることができますが、前述の加工硬化の問題があります。
導電性プラスチックの可能性
最近では、金属に代わる選択肢として導電性プラスチックの開発も進んでいます。最新の技術では、IACS 1%程度の導電率を持つプラスチック材料も開発されており、軽量化や低コスト化が求められる用途での活用が期待されています。
加工時の注意点として、材料の加熱は結晶構造や内部応力に影響するため、特に導電性が重要な部品の加工では温度管理が重要です。また、表面の酸化や汚染も導電率を低下させる要因となるため、加工後の適切な洗浄と保管も重要なポイントです。
IACS値は金属材料選定の重要な指標ですが、実際の材料選択では導電性以外の要素も総合的に考慮する必要があります。ここでは、IACS基準を活用した効果的な材料選定のアプローチを紹介します。
選定プロセスの基本ステップ
導電性と他特性のバランス
導電性が高い材料が必ずしも最適とは限りません。例えば、A1070アルミニウム（62% IACS）はA6063（52-55% IACS）より導電性が高いですが、強度や押出加工性ではA6063の方が優れています。用途によっては、適度な導電性と優れた機械的特性を備えたA6063が選ばれることがあります。
コスト効率の考慮
材料コストだけでなく、加工コストや製品寿命も含めたライフサイクルコストを考慮することが重要です。例えば、銅（100% IACS）は導電率が高いものの、アルミニウム（62% IACS）に比べて約3倍の重量と価格があります。そのため、導電性の要件が厳しくない場合は、アルミニウムの方がコスト効率に優れることがあります。
業界別の材料選定ポイント
業界によって材料選定の優先事項が異なります。
事例：ヒートシンク材料の選定
放熱部品であるヒートシンクの材料選定では、熱伝導率と電気伝導率の相関関係を利用します。一般的に、IACS値の高い材料は熱伝導率も高い傾向にあります。純銅（100% IACS）は優れた放熱性能を示しますが、重量やコストの課題があります。
一方、A6063アルミニウム（52-55% IACS）は軽量で押出加工性に優れ、複雑なフィン形状を効率的に製造できるため、コスト効率の高い選択肢として広く採用されています。最近では、放熱性能を高めるために、ロータス構造（一方向に配列した気孔を持つ構造）を持つ金属材料の研究も進んでいます。
材料選定においては、IACS値だけでなく、加工性、機械的特性、コスト、重量などを総合的に評価し、最適なバランスを見つけることが重要です。
電気伝導率（IACS値）と熱伝導率には強い相関関係があり、この関係は金属の放熱設計において重要な指針となります。ウィーデマン・フランツの法則によれば、金属の電気伝導率と熱伝導率の比は温度に比例するという関係があります。この法則を利用することで、IACS値から熱伝導性を予測することが可能です。
電気伝導率と熱伝導率の関係性
以下に主要金属の電気伝導率（IACS%）と熱伝導率（W/m・K）の関係を示します。
| 金属材料 | IACS値(%) | 熱伝導率(W/m・K) |
|---|---|---|
| 純銅 | 100 | 401 |
| A1070アルミニウム | 62 | 232 |
| A6063-T5アルミニウム | 52-55 | 210 |
| 真鍮 | 23-44 | 110-160 |
| ステンレス鋼 | 2-3 | 15-45 |
この相関関係から、IACS値の高い金属材料は一般的に優れた放熱特性を持っていることがわかります。しかし、放熱設計ではIACS値だけでなく、材料の密度や比熱も考慮する必要があります。
革新的な放熱構造と材料加工
金属の導電性・熱伝導性を活かした革新的な放熱構造として、「ロータス金属」と呼ばれる一方向気孔を持つ多孔質金属があります。この構造では、一方向に配列された気孔が流路となり、冷媒を効率良く流すことができます。ロータス銅はヒートシンクとして優れた冷却能を発揮します。
また、アルミニウムの押出加工技術を活用した複雑な形状のヒートシンクも、効率的な放熱設計に貢献しています。A6063アルミニウムは、押出加工性に優れているため、複雑なフィン形状の放熱部品を効率的に製造できるメリットがあります。
熱シミュレーションとIACS値の活用
放熱設計では、熱シミュレーションソフトウェアを用いた解析が一般的に行われています。このとき、材料の熱伝導率としてIACS値から換算した値を使用することがあります。しかし、合金や加工履歴によっては理論値と実際の熱伝導率に差が生じることがあるため、重要な設計では実測値を用いることが推奨されます。
将来技術：導電性プラスチックの可能性
最近では、金属に代わる選択肢として導電性プラスチックの開発が進んでいます。最新の技術では、IACS 1%程度の導電率を持つプラスチック材料が開発されており、従来の金属材料と比較して約50%の軽量化が可能とされています。熱伝導性においても進展が見られ、特に電子機器の軽量化と放熱性能の両立に期待が寄せられています。
また、3Dプリント技術を活用した導電性プラスチック部品の製造も研究されており、IACS 0.1%レベルの導電率を持つ3Dプリント用フィラメントが開発されています。これにより、複雑な形状の放熱部品を容易に製造できる可能性が広がっています。
IACS値を理解し活用することは、単に導電性の評価だけでなく、放熱設計においても重要な意味を持ちます。材料の選定から加工方法の決定まで、総合的な視点で検討することが、効率的な製品開発につながります。
以上、IACS値を基準とした金属加工における材料選択と設計のポイントについて解説しました。適切な材料選定と加工方法の選択により、製品の性能向上とコスト最適化の両立が可能になります。金属加工に携わる技術者の皆様の参考になれば幸いです。
詳細な金属材料の物性値データについては日本金属学会の資料が参考になります
アルミニウム加工に関する詳細な技術情報はこちらで確認できます