機械ネジの種類と規格、材質ごとの強度と正しい締付けトルク

機械ネジの基礎知識と選定方法

機械ネジの主要な種類と用途別の特徴【種類・規格】

 

機械ネジは、部品の締結や位置決めに不可欠な機械要素です 。その種類は、ねじ山の形状、頭部の形状、そして適用される規格によって多岐にわたります。金属加工の現場で正確な選定を行うためには、これらの違いを深く理解しておくことが重要です。
まず、ねじ山の形状による分類を見てみましょう。最も一般的なのは「三角ねじ」で、締結用に広く使用されています 。この他、運動を伝える目的で使われる「台形ねじ」や「角ねじ」、そして非常に高い伝達効率を持つ「ボールねじ」などがあります 。台形ねじは、三角ねじに比べて摩擦が少なく、精密な位置決めが求められる工作機械の送り機構などに採用されます 。
次に、国際的および国内的な規格についてです。現在、最も広く普及しているのは「メートルねじ（M）」であり、ISO（国際標準化機構）によって規格化されています 。その他にも、航空宇宙産業などで根強く使われている「ユニファイねじ（UN）」や、配管接続に特化した「管用ねじ（G, PT, NPT）」など、用途に応じた様々な規格が存在します 。これらの規格は、ねじの直径、ピッチ（ねじ山の間隔）、ねじ山の角度などを厳密に定めており、互換性を保証する上で極めて重要です。
頭部の形状も、作業性や用途を左右する重要な要素です。

• なべ小ねじ: 最も代表的な頭部形状で、上面が丸く、汎用性が高いです 。
• トラス小ねじ: なべ小ねじよりも頭部が大きく、座面が広いため、締結物を押さえる力が強いのが特徴です 。
• 皿小ねじ: 頭部が平らで、締結後に表面をフラットにしたい場合に使用します。
• バインド小ねじ: 頭部の縁が丸みを帯びており、電線などを押さえる用途にも使われます 。
• 六角穴付きボルト（キャップボルト）: 六角レンチを使用して締め付けるため、強いトルクをかけることができ、狭い場所での作業にも適しています。

これらの種類と規格を正確に理解し、設計や用途に最適なネジを選定することが、機械全体の品質と信頼性を高める第一歩となります。特に、一般的な並目ねじと、振動が多い箇所で緩み止め効果を発揮する細目ねじの使い分けは、基本的ながら非常に重要な選定基準の一つです 。

JIS規格で定められたねじの種類や形状に関する詳細情報は、以下のリンクで確認できます。
日本産業標準調査会 (JISC)

機械ネジの材質と強度区分の関係性【材質・強度】

機械ネジの性能を決定づける上で、材質と強度は最も重要な要素です 。ネジが使用される環境（温度、湿度、荷重など）に適した材質と強度区分のものを選ばなければ、早期の破損や重大な事故につながる可能性があります。
一般的に使用されるネジの材質は、大きく分けて「鉄（炭素鋼・合金鋼）」と「ステンレス鋼」です 。

• 鉄（炭素鋼・合金鋼）: 非常に汎用性が高く、安価で強度も出しやすい材質です。表面処理（メッキなど）を施すことで、耐食性を向上させることができます。熱処理によって強度を調整できるのが大きな特徴です 。
• ステンレス鋼: 主成分のクロムによって表面に不動態皮膜を形成し、優れた耐食性を持ちます。特にSUS304やSUS316は、食品機械や医療機器など、錆を嫌う環境で多用されます 。ただし、鉄に比べて高価で、焼き付き（かじり）を起こしやすいという注意点もあります 。

ネジの強度は、JIS B 1051などの規格によって「強度区分」として明確に定められています 。例えば、鉄製の六角ボルトでは「4.8」や「10.9」といった数値で表されます 。この数値は、ネジの機械的性質を示しており、以下のように読み解くことができます。
例：「10.9」の場合

• 10: 呼び引張強さの1/100を示します。この場合、1000N/mm²の引張強さがあることを意味します 。
• .9: 降伏点（または0.2%耐力）が、呼び引張強さの何倍であるかを示します。この場合は90%となり、900N/mm²で降伏（塑性変形が始まる）ことを意味します 。

ステンレス鋼の場合は「A2-70」のように表されます。「A2」は鋼種（SUS304系）を、「70」は引張強さ（700N/mm²）を示しています 。
以下の表は、JIS B 1051に基づく鋼製ボルトの強度区分と主要な機械的性質を抜粋したものです 。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

強度区分	呼び引張強さ (N/mm²)	最小降伏点 (N/mm²)	主な材質
4.8	420	340	低炭素鋼
8.8	800 or 830	640 or 660	中炭素鋼（調質）
10.9	1040	940	中炭素合金鋼（調質）
12.9	1220	1100	合金鋼（調質）

意外と知られていない点として、強度区分が高いネジ（例: 12.9）は、非常に硬くてもろくなる（靭性が低下する）傾向があります。そのため、衝撃荷重がかかる箇所では、あえて一つ下の強度区分（例: 10.9）を選ぶなど、単に強度が高いだけでなく、使用状況に応じた「ねばり強さ」も考慮した選定が求められます 。

JIS B 1051で規定されている鋼製ボルト・小ねじの機械的性質に関する詳細なデータは、以下の資料で参照できます。
鋼製ボルト･小ねじの機械的性質(JIS B 1051-2000 抜粋) - Miki Pulley

機械ネジの締付けトルクの計算と管理方法【締付け・トルク】

機械ネジの締結において、最も重要な管理項目が「締付けトルク」です。トルクが不足すれば緩みの原因となり、過大であればネジや被締結材を破損させてしまいます 。適切な締付けを行うことで、ネジはバネのように伸び、その反発力（軸力）で部品を固定します。この「軸力」を目標の範囲内に収めることが、トルク管理の本質です。
締付けトルク(T)と軸力(F)の関係は、一般的に以下の簡易式で表されます 。
T = K × d × F

• T: 締付けトルク (N·m)
• K: トルク係数
• d: ねじの呼び径 (m)
• F: 軸力 (N)

ここで最も重要なのが「トルク係数(K)」です。これは、ねじ面や座面の摩擦係数など、複数の要素をまとめた係数です。一般的にK=0.15〜0.2程度とされますが、実際には表面の状態（油、汚れ、メッキの種類など）によって大きく変動します 。このK値のばらつきが、同じトルクで締め付けても軸力が安定しない最大の原因です。例えば、潤滑油を塗布すると摩擦係数が下がり、同じトルクでもより高い軸力が発生します。
より実用的な適正締付トルクの計算式として、材料の降伏点の70%程度の軸力を発生させることを目安とした以下の式が用いられることもあります 。
Ff = 0.7 × σy × As


TfA = K × d × Ff

• Ff: 目標締付軸力 (N)
• σy: ネジの降伏点または耐力 (N/mm²)
• As: ねじの有効断面積 (mm²)
• TfA: 適正締付トルク (N·m)

しかし、計算だけでは不十分な場合も多く、現場では以下のような管理方法が併用されます。

• トルク法: 最も一般的な方法。トルクレンチを使い、規定のトルク値で締め付ける。手軽ですが、前述の通り摩擦の影響で軸力にばらつきが出やすいのが欠点です。
• 回転角法: ナットが被締結材に着座（密着）した点（スナグトルク点）から、さらに規定の角度だけ締め増す方法。摩擦の影響を受けにくく、安定した軸力が得やすいとされています。
• トルク勾配法: 締付けトルクと回転角度の関係を監視し、ボルトが降伏点に達したことを検知して締付けを停止する方法。非常に高い精度で軸力管理ができますが、特殊な装置が必要です。

プロの現場では、単にトルクレンチで締めるだけでなく、「なぜそのトルク値なのか」を理解し、摩擦状態の変化に注意を払うことが極めて重要です。特に、ステンレス鋼のように摩擦係数が高く焼き付きやすい材質では、潤滑剤の適切な使用がトラブル防止の鍵となります 。

機械ネジの緩み止め対策とトラブルシューティング【緩み止め・トラブル】

適切に締め付けられたはずのネジが、なぜ緩んでしまうのでしょうか。その原因は一つではなく、複数の要因が絡み合って発生します。緩みのメカニズムを理解し、適切な対策を講じることは、機械の安全性を維持するために不可欠です 。
ネジの緩みは、大きく「回転ゆるみ」と「非回転ゆるみ」に分類されます。

1. 回転ゆるみ
機械の振動や衝撃によって、ネジがわずかに戻り回転してしまう現象です 。鉄道のレールやエンジンのように、常に振動にさらされる環境で発生しやすくなります。
主な対策:

• ダブルナット: 2つのナットを互いに締め合う方向に力を加えることで、回転を防ぎます。上ナットを締め、下ナットを緩める方向に回してロックする「上ナット法」と、下ナットを締結側に、上ナットを反締結側に締める「下ナット法」があり、正しく施工すれば高い緩み止め効果を発揮します 。
• 緩み止めナット: ナット自体にナイロンリングや金属リングが組み込まれていたり、フリクションリングが設けられていたりと、回転に対する抵抗を増やす構造になっています。
• 緩み止め座金（ワッシャー）: 歯付き座金やばね座金（スプリングワッシャー）などがあり、被締結材に食い込んだり、反発力で軸力を維持したりすることで緩みを防ぎます。
• 接着剤: ねじ部に嫌気性接着剤などを塗布し、化学的に固定する方法です。振動に非常に強く、シール効果も期待できますが、分解が困難になる場合があります 。

2. 非回転ゆるみ
ネジ自体は回転しないものの、初期軸力が低下してしまう現象です。

• 座面の陥没（へたり）: 締付け力が強い場合や、被締結材が柔らかい場合に、時間の経過とともに座面がわずかに陥没し、その分だけ軸力が失われます。
• 温度変化: ネジと被締結材の熱膨張率が異なると、温度の上下によって軸力が変動し、緩みにつながります。特に高温環境や、温度サイクルが激しい場所で問題となります 。

主な対策:

• 硬度の高い座金の使用: 座面陥没を防ぐため、接触面積を広げ、硬度の高い平座金を使用します。
• 弾性のある部品の使用: 皿ばねなどを組み込むことで、へたりや温度変化による軸力低下を補うことができます。
• 適切な材料選定: 熱膨張率の近い材料を組み合わせることで、温度変化による影響を最小限に抑えます。

これらの対策に加え、ネジが破断する、さびで固着する、ねじ山がつぶれるといったトラブルも頻繁に発生します 。これらのトラブルは、オーバートルク、不適切な材質選定、異物の噛み込みなどが原因であることがほとんどです。トラブルが発生した際は、原因を特定し、根本的な対策を講じることが再発防止の鍵となります。

機械ネジのサステナビリティ：再利用の基準と環境負荷削減【再利用】

金属加工の現場では、コスト削減や環境負荷低減の観点から、ネジの再利用が検討されることがあります。しかし、安全性を確保するためには、どのようなネジなら再利用でき、どのような場合は交換すべきか、明確な基準を持つことが極めて重要です。安易な再利用は、思わぬトラブルや事故の原因となりかねません。

ネジを再利用できるかどうかの最も重要な判断基準は、「塑性変形していないこと」です 。
ネジを締め付けると、弾性域でバネのように伸びて軸力を発生します。この状態であれば、緩めても元の長さに戻るため、理論上は再利用が可能です。しかし、過大なトルクで締め付けられ、降伏点を超えて塑性域に入ってしまうと、ネジは伸びきったまま元に戻らなくなります。このような塑性変形したネジは、強度が著しく低下しており、再利用することは絶対にできません 。
しかし、見た目だけで塑性変形を見分けるのは困難です。そのため、一般的には以下の点を考慮して再利用の可否を判断します。

• 締結管理方法: 回転角法やトルク勾配法など、降伏点付近まで締め付ける「塑性域締結」を行ったネジは、一回限りの使用が前提であり、再利用はできません。
• 目視検査: ねじ山のつぶれ、クラック、錆、変形など、明らかな損傷があるネジは使用してはいけません 。
• 使用環境: 高温や腐食環境、大きな振動や衝撃が加わるような過酷な条件下で使用されたネジは、目に見えない疲労が蓄積している可能性があるため、交換が推奨されます。

意外な独自視点：コーティングと再利用の関係
あまり知られていませんが、ネジの表面に施されたコーティングの種類によっては、再利用時の性能に大きく影響します 。例えば、摩擦係数を安定させるための特殊な潤滑コーティングが施されたネジがあります。このようなネジは、初回使用時と再利用時で摩擦係数が変化しにくく、トルク管理が安定するというメリットがあります。しかし、防錆を主目的とした一部のメッキは、一度締め付けると表面が損傷し、再利用すると摩擦係数が大きく変わってしまったり、耐食性が低下したりすることがあります。つまり、「どのようなコーティングが施されているか」も、再利用を検討する上での隠れた重要ポイントなのです。
環境負荷削減の観点から、ネジのリサイクルは重要です。しかし、締結部品としての「再利用」は、安全性が最優先されるべき領域です。特に、人命や重要な設備に関わる箇所のネジについては、原則として新品を使用することが賢明な判断と言えるでしょう。再利用する場合は、明確な管理基準を設け、十分な知識と経験に基づいて慎重に行う必要があります。

締結部品の再利用に関する技術的な考察は、以下のメーカー資料などが参考になります。
ねじは再利用可能? - Bossard

 

 

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