油圧シリンダは、産業機械や移動機械の「筋肉」であり、油圧流体圧力を線形力に変換し、建設ショベルから精密製造アクチュエータまで幅広い用途に使用します。これらのシリンダの性能、長寿命、安全性は、主にシリンダバレル、ピストン、ピストンロッド、エンドキャップのコアコンポーネントに選択された材料に大きく依存します。最適な材料は、アプリケーションの動作条件 （ 圧力、温度、環境 ） 、負荷要件、およびコスト制約によって異なります。この記事では、油圧シリンダの最も一般的な材料、その機械的特性、理想的なユースケース、およびエンジニアリングおよび調達決定の指針となる選択基準を分解します。

 

 

1.キー油圧 シリンダー コンポーネント & 材料の役割

材料を評価する前に、材料の特性をコンポーネント機能にマッピングすることが重要です。各部品は固有の応力と環境暴露に直面します。

 

| コンポーネント | 主要機能 | 重要な材料要件 |

|---------------------|----------------------------------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------|

| シリンダバレル|油圧流体を含み、ピストンをガイドし、内部圧力に耐えます。 | 高い引張強度、耐圧性、耐食性、寸法安定性。 |

| ピストン | 流体チャンバー （ 拡張 / 引き込み側面 ） を分離し、ロッドに力を伝達します。 | 低摩擦、耐摩耗性、油圧流体との互換性、軽量 （ オプション ） 。|

| ピストンロッド | ピストンを負荷に接続し、エンドキャップを通して拡張 / 引き込みます。 | 高い表面硬度、引張強度、耐食性、直さ。 |

| エンド · キャップ | バレルの端をシールします。ハウスポート、シール、およびベアリング。 | 構造剛性、耐圧性、シール材との互換性。 |

 

コストとパフォーマンスを最適化しつつ、これらの要件をバランスさせる材料を選択します。以下は、材料カテゴリー別に最も広く使用されているオプションです。

 

 

2.金属材料 ： 業界標準

金属は、その実績のある強度、耐圧性、製造性により油圧シリンダの構造を支配します。最も一般的な金属は炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウムです。

 

 

2.1炭素鋼 （ AISI 1018 、 1045 、 1020）

カーボン鋼は油圧シリンダの主力であり、産業およびモバイル用途の ～ 70% を占めています。炭素 （ 重量 0.1 ～ 0.6% ） と鉄のみを合金化し、強度、加工性、コスト効率のバランスを提供しています。

 

キープロパティ

- 引張強度： 400 — 700 MPa （ 58 — 102psi ） （ AISI 1045 、標準化 ） 。

- 圧力定格： 標準壁バレルでは最大 3，000 psi （207 bar） 、厚壁の場合最大 5，000 psi （345 bar） 。

- 耐食性： 低 （ 湿った環境で錆びやすい ）； コーティングが必要 （ 例、保護のための塗料、亜鉛めっき ） 。

- 加工性 ： 優秀 （ 容易に回転、溶接、バレルボアのために研磨 ） 。

 

理想的な用途

- 汎用産業用シリンダー （ 例 ：工場のプレス、コンベアアクチュエータ ）

- 乾燥した環境でのモバイル機器 （ 例 ：農業用トラクター、小型ローダー ）

- コストが主な懸念事項である低 ～ 中圧システム （ ≤ 3，000 psi ） 。

 

制限事項

- 湿った環境、海洋環境、または化学物質にさらされた環境 （ 重いコーティングなし ） には適していません。

- 高圧システム （> 5，000 psi） または極端な温度 （> 200 ° C / 392 ° F） には推奨されません。

 

 

2.2合金鋼 （ AISI 4140 、 4340 、 8620

合金鋼は、強度、靭性、耐熱性を高めるクロム、モリブデン、ニッケル、またはマンガン元素を少量で強化した炭素鋼です。高圧、重型シリンダーに好ましい材料です。

 

キープロパティ

- 引張強度： 800 〜 1，500 MPa （116 〜 218 シ） （AISI 4140 、 HRC 28 〜 32 に熱処理）

- 定格圧力 ： 厚壁バレル用最大 10，000 psi （ 690 bar ） 、循環応力 （ 疲労抵抗性 ） に耐えます。

- 耐食性 ： 適度 （ 炭素鋼よりも優れていますが、湿った環境ではコーティングが必要です ） 。

- 耐熱性 ： 300 ° C （ 572 ° F ） まで安定 （ 金属成形などの高温アプリケーションに不可欠 ） 。

 

理想的な用途

- 重型建設機械 （ 例 ：掘削機アーム、クレーンシリンダー ） 高い負荷および衝撃の対象となります。

- 高圧産業システム （ 例 ：金属のプレス、油田装置のための油圧プレス ）

- 適度な温度 （ 100 〜 300 °C ） または循環応力にさらされるシリンダー。

 

制限事項

- 炭素鋼よりも高いコスト （ 20 — 30% プレミアム ） 。

- 製造時間を延長し、完全な強度を達成するために熱処理 （ 淬火と焼戻し ） を必要とします。

 

 

2.3ステンレス鋼 （ AISI 304 、 316 、 416 ）

ステンレス鋼は、腐食に抵抗する受動酸化物層を形成する ≥ 10.5% のクロムを合金化しています。苛刻で腐食性の高い環境でのシリンダー用のゴールドスタンダードです。

 

キープロパティ

- 引張強度： 500 〜 1，200 MPa （72 〜 174 psi） （AISI 316： 515 MPa； AISI 416， 熱処理： 1，200 MPa） 。

- 耐食性 ： 優れた （ AISI 316 は塩水、酸、化学薬品に抵抗します。

- 表面仕上げ ： 滑らかで多孔質でない （ 細菌の蓄積を防ぐために食品 / 医薬品アプリケーションに最適 ） 。

- 温度範囲： —270 ° C ～ 480 ° C （—454 ° F ～ 896 ° F） （AISI 316） 。

 

理想的な用途

- 海洋 · 洋上機器 （ 例 ：船舶のステアリングシリンダー、オフショアプラットフォームアクチュエータ ）

- 食品 · 飲料 · 医薬品機械 （ FDA / EC 1935 規格に準拠 ） 。

- 化学処理プラント （ 酸、溶媒、または苛性流体にさらされる ） 。

- 湿気のある気候や沿岸域の屋外機器 （ 例 ：耐塩水クレーン ） 。

 

制限事項

- 炭素鋼 / 合金鋼よりも高いコスト （ AISI 316 の場合 2 〜 3 倍 ） 。

- 炭素鋼よりも加工性が低い （ AISI 416 は加工性能を向上させるため改質されているが、耐食性が低い ） 。

 

 

2.4アルミニウム （6061—T6， 7075—T6）

アルミニウムは、軽量化が重要な用途に選択されます。鋼鉄の密度の 1 / 3 （ 2.7 g / cm3 対 7.8 g / cm3 ） であり、低 ～ 中程度の荷重に十分な強度を提供します。

 

キープロパティ

- 引張強さ： 310 MPa （ 45 のキシ ） （ 6061—T6 ）； 570 MPa （ 83 のキシ ） （ 7075—T6 、高強度等級 ） 。

- 重量優位性 ： スチール製シリンダーよりも 65% 軽量 （ 航空宇宙やポータブル機器に不可欠 ） 。

- 耐食性 ： 良好 （ 天然酸化物層を形成します。 60 61—T 6 は 70 7 5—T 6 よりも耐食性です。

- 熱伝導率 ： 高い （ 熱を素早く放散し、温度敏感なシステムに最適 ） 。

 

理想的な用途

- 航空宇宙 · 航空 （ 例えば、航空機の着陸ギアアクチュエータ、衛星測位シリンダー ）

- ポータブル機械 （ 例 ：ハンドヘルド油圧工具、小型ドローン ）

- 最大強度よりも重量が優先される低圧システム （ ≤ 2，000 psi ） 。

 

制限事項

- 定格低圧 （ 7075—T6 の場合最大 3，000 psi 、高圧で変形しやすい ） 。

- 耐摩耗性が低い （ ピストンロッドは傷を防ぐために硬いクロムメッキを必要とします。

- 炭素鋼よりも高いコスト （ しかし、同等の強度のためにステンレス鋼よりも低い ） 。

 

 

3.非金属材料 ： 新興の代替品

非金属 （ ポリマー、複合材料 ） は、重量、耐食性、化学的適合性が最重要となる特殊用途で牽引力を増しています。シリンダー全体にはほとんど使用されませんが、特定のコンポーネントに優れています。

 

 

3.1エンジニアリングポリマー （ PTFE 、ナイロン、 PEEK ）

ポリマーは、低摩擦と耐化学性が重要なピストン、ベアリング、シールリテーナ部品に使用されています。

 

キープロパティ

- 摩擦係数 ： 超低 （ PTFE ： 0.04 、対鋼板 ： 0.6 ） （ シール摩耗を低減 ） 。

- 化学的互換性 ： 油圧油、溶媒、および酸に耐性 （ PEEK は 250 ° C / 482 ° F まで耐えます ） 。

- 重量 ： 鋼製部品より 50 〜 70% 軽量。

 

理想的な用途

- 精密シリンダのピストン （ 例 ：医療機器、ロボットアクチュエータ ） 。

- 食品グレードのシリンダー内の軸受リング （ 金属汚染のリスクなし ） 。

 

制限事項

- 低引張強度 （ PEEK ： 90 MPa 、鋼 ： 400 + MPa ） （ バレルなどの高負荷部品には適していません ） 。

 

 

3.2繊維強化複合材料 （ 炭素繊維、ガラス繊維 ）

複合材料 （ 炭素 / ガラス繊維で強化されたポリマーマトリックス ） は、ニッチアプリケーションで軽量で高強度のバレルやロッドに使用されます。

 

キープロパティ

- 強度重量比 ： 鋼鉄より 5 倍高い （ 炭素繊維複合材料 ： 引張強度 1，500 MPa 、密度 1.7 g / cm3 ） 。

- 耐食性 ： 塩水、化学薬品、紫外線に不透過性。

- 疲労抵抗 ： 循環負荷アプリケーションで鋼鉄を凌駕します （ 例 ：洋上風力タービンアクチュエータ ） 。

 

理想的な用途

- 航空宇宙 （ 例 ：宇宙船油圧シリンダー、重量削減による打ち上げコスト削減 ） 。

- 洋上再生可能エネルギー （ 例 ：風力タービンピッチ制御シリンダー ）

 

制限事項

- 非常に高いコスト （ 鋼鉄よりも 10 〜 20 倍高価 ） 。

- 機械加工が難しい （ 掘削や研削に特化した工具が必要 ） 。

- 耐衝撃性が低い （ 破片や衝突による損傷を受けやすい ） 。

 

 

4.材料選択フレームワーク ： 「ベスト」オプションを選択する方法

最適な材料を選択するには、動作条件、性能要件、コスト、コンプライアンスという 4 つのコア要因を評価します。

 

ステップ 1 ： 動作条件の定義

- 圧力 ： 高圧システム （ 5，000 psi 以上 ） は合金鋼を使用し、低圧 （ 2，000 psi 以下 ） はアルミニウムまたは炭素鋼を使用できます。

- 環境 ：

- ウェット / 沿岸 ： ステンレス鋼 （ AISI 316 ） または複合材料。

- ドライ / 工業用： 炭素鋼 （亜鉛めっき付き） または合金鋼。

- 化学 / 食品 ： ステンレス鋼 （ AISI 304 / 316 ） または PEEK 。

- 温度：

- 高 （ > 200 °C ） ： 合金鋼 （ AISI 4140 ） または PEEK 。

- 低 （ < —40 °C ） ： ステンレス鋼 （ AISI 316 ） またはアルミニウム （ 6061—T6 ） 。

 

ステップ 2 ： パフォーマンス要件に合わせる

- 負荷容量： 重い負荷 （ 例、掘削機 ） は合金鋼を必要とします； 軽い負荷 （ 例えば、ドローン ） アルミニウムを使用する。

- 重量 ： 航空宇宙 / ポータブル機器はアルミニウムまたは複合材料を優先します。

- 耐摩耗性 ： ピストンロッドはステンレス鋼 （ ハードクロムめっき付き ） または合金鋼が必要です。

 

ステップ 3 ： コストと総ライフサイクル価値のバランス

- 初期費用 ： 炭素鋼 < アルミニウム < 合金鋼 < ステンレス鋼 < 複合材料。

- ライフサイクルコスト ：ステンレス鋼 / 複合材料は、腐食性環境下では炭素鋼よりも前払いコストが高く、メンテナンス （ 錆なし、交換が少ない ） が低い場合があります。

 

ステップ 4 ： コンプライアンスの確保

- 食品 / 医薬品 ： ステンレス鋼 （ AISI 304 / 316 ） または FDA 承認のポリマー。

- 航空宇宙 ： アルミニウム （ 7075—T 6 ） または炭素繊維複合材料 （ ASTM D 7091 規格を満たす ） 。

 

 

5.ケーススタディ ： 実践における材料選択

実世界の例は、材料の選択がアプリケーションニーズにどのように一致するかを示します。

 

ケース 1： 建設掘削機のシリンダー

- 条件 ： 高圧 （ 5，000 psi ） 、衝撃負荷、乾燥 / ほこりのある環境。

- 材料の選択：

- バレル： 強度のための合金鋼 （AISI 4140 、熱処理） 。

- ピストンロッド： 硬いクロムメッキ付き合金鋼 （ AISI 4140 ） （ 耐摩耗性 ） 。

- エンドキャップ ： 炭素鋼 （ AISI 1045 ） （ 費用対効果の高い構造剛性 ） 。

 

ケース 2： 海洋ウィンチシリンダー

- 条件 ： 塩水曝露、適度な圧力 （ 3，000 psi ） 、循環負荷。

- 材料の選択：

- バレル / ピストンロッド ： ステンレス鋼 （ AISI 316 ） （ 耐食性 ） 。

- ピストン ： PTFE コーティングアルミニウム （ 軽量、低摩擦 ） 。

 

ケース 3 ： 航空宇宙着陸機アクチュエータ

- 条件 ： 軽量優先、高強度、 —50 ° C 〜 150 ° C の温度範囲。

- 材料の選択：

- バレル ： 炭素繊維複合材料 （ 軽量化 ） 。

- ピストンロッド： アルミニウム （ 7075—T6 ） ハード陽極酸化 （ 耐摩耗性 ） 。

 

 

6.結論 ： “ベスト ” 素材なし — ベストフィットのみ

油圧シリンダの「最高の」材料は、アプリケーション固有の要求に依存します。ほとんどの産業用およびモバイル用途では、炭素鋼 （ コスト効率の高い汎用 ） または合金鋼 （ 高圧、重型 ） が最適です。腐食性環境には、ステンレス鋼 （ AISI 316 ） が不可欠です。重量重視のアプリケーションでは、アルミニウムまたは複合材料が唯一の実行可能な選択肢です。

 

正しい選択をするために ：

1.コンポーネント要件を材料特性にマップします。

2.動作条件 （ 圧力、環境、温度 ） を優先します。

3.初期コストと長期メンテナンスと耐久性のバランスを取ります。

4.業界規格 （ ISO 4413 、 FDA 、 ASTM ） の準拠を確認します。

 

このフレームワークに従うことで、エンジニアと調達チームは油圧シリンダの性能を最大化し、ダウンタイムを最小化し、総ライフサイクルコストを最適化する材料を選択できます。