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チタンは最も強い金属の 1 つです。耐腐食性があるため、広く使用されています。多くのメーカーが、他の合金元素と合わせて純チタンを使用しています。しかし、この金属は最も理解されていません。人々は、チタン合金の分類、特性、用途を認識していません。
優れた材料であるにもかかわらず、チタンは謎に包まれています。その主な理由は、希少性と高価格です。メーカーは、日常的な製造プロセスでは使用していません。しかし、この材料には優れた機能と用途があります。
チタンの際立った特徴の 1 つは、その強度と軽量性です。そのため、航空宇宙産業では標準的に使用されています。メーカーも、望ましい特性を実現するために合金を使用しています。この注目すべき金属の幅広い用途を詳しく見ていきましょう。
チタンとその合金の概要
チタンは非常に軽量でユニークな金属です。地殻に存在する 9 番目に大きい物質です。しかし、この金属が人気なのは、その堅牢性と錆びにくさによるものです。この材料で作られた部品は、塩分や湿気の多い条件に耐えることができます。
チタンは新しい金属ではないことに注意することが重要です。チタンが初めて登場したのは 1791 年です。英国の鉱物学者ウィリアム グレガーが最初にチタンの研究に取り組んだ人物です。チタンの発見は、ウィリアム グレガーの研究と関連しています。チタンは発見されましたが、その量はわずかでした。
マグネシウムやアルミニウムとは異なり、チタンは豊富ではありません。チタンの合金はすぐには知られていませんでした。Ti-6Al-4V というチタン合金は 1940 年代に製造されました。これは、純チタンの発見後、合金が見つかるまでにどれだけ時間がかかったかを示しています。それでも、多くのメーカーを興奮させた重要な発見でした。
前述したように、チタンには、際立った多くの貴重な特徴があります。それらの特徴には、強度、軽量、錆び防止が含まれます。そのため、メーカーは航空宇宙や自動車に積極的にチタンを使用しています。実際、防錆のため、海洋産業での使用も一般的です。チタン合金はさまざまな分野で人気商品となっています。
チタン合金の特性
チタンの性能は不純物含有量によって決まります。純チタンは不純チタンとは異なります。不純物には炭素、窒素、水素、酸素などがあります。同様に、チタン合金の特性も異なります。
最も純粋なヨウ化チタンには 0.1% 以下のヨウ化チタンが含まれています。ただし、強度と可塑性は低いです。99.5% の工業用純チタンには次の特性があります。
- 密度 ρ=4.5g/立方センチメートル
融点は1725℃
熱伝導率 λ=15.24W/(mK)
引張強度 σb=539MPa
伸び δ=25%、硬度 HB195
断面収縮率 ψ=25%
弾性率 E=1.078×105MPa
これらの特性は、純チタンにのみ当てはまります。別の元素を加えて合金にすると、それぞれの特性は変化します。メーカーは、作業に必要な特性を得るためにこれらの合金を使用します。チタンの顕著な特徴について、さらに詳しく見ていきましょう。
1- 高強度
チタン合金の密度は約 4.51 g/cm³ で、鋼の 60% にすぎません。純チタンの密度は、普通の鋼の密度に近いです。一部の高強度チタン合金は、構造用鋼合金の強度を超えています。
これらの合金は、他の構造材料よりも強度と密度の比率が高いため、単位強度が高く、剛性が高く、軽量な部品を製造できます。航空機のエンジン部品、スケルトン、着陸装置はすべてチタン合金を使用しています。
2- 高い熱強度
使用温度はアルミニウム合金よりも数百度高くなります。中温でも必要な強度を維持できます。450～500℃の温度で長時間使用できます。
アルミニウム合金の比強度は、150℃で大幅に低下します。チタン合金の機械加工時の作業温度は 500℃に達することもあり、非常に高くなります。これは、温度が 200℃以下にとどまるアルミニウム合金よりも高い温度です。
3- 優れた耐腐食性
チタン合金は、湿った雰囲気や海水媒体で機能します。その耐食性はステンレス鋼よりもはるかに優れています。特に、孔食、酸、応力腐食に耐性があります。これで終わりではありません。チタンは他の要素にも耐性があります。これには、アルカリ、塩化物、塩素、有機物、硝酸、硫酸が含まれます。その耐食性は比類がなく、チタンが注目を集める理由となっています。
4- 低温性能が良好
チタン合金は、低温および極低温でも機械的特性を維持できます。TA7 などの合金は、格子間元素が不足しています。-253 ℃でもある程度可塑性を維持できます。このため、チタン合金は低温構造に不可欠な材料です。
5- 高い化学活性
チタンは、あらゆる状況で高い化学活性を示します。O、N、H、CO、CO2、水蒸気、アンモニアと化学固体反応を起こします。炭素含有量が 0.2% を超えると、チタン合金内で硬い TiC が形成されます。N と反応すると、高温で硬い TiN 表面層が形成されます。
温度が 600℃ を超えると、チタンは酸素を吸収して硬化層を形成します。水素含有量の増加によっても脆化層が形成されます。ガス吸収プロセスにより、表面層を 0.1～0.15 mm の深さまで硬化できます。硬度は20～30％増加します。チタンは化学的親和性が高く、摩擦面に密着します。
6- 熱伝導率が低い
チタンの熱伝導率λ=15.24 W/(m·K)は、ニッケルの約1/4、鉄の約1/5、アルミニウムの約1/14です。チタン合金の伝導率はチタンより約50％低いです。チタン合金の弾性率は鋼の約1/2であるため、剛性が低く、変形しやすいです。
細い棒や薄肉部品の製造には適していません。切削中の加工面のスプリングバックは非常に大きいです。問題は、どのくらいかということです。ステンレス鋼の約2～3倍です。これにより、ツールの側面に激しい摩擦、付着、凝着摩耗が発生します。
チタン合金の分類
一般的に、チタン合金にはさまざまなグレードがあります。ただし、すべての合金は、アルファ、ベータ、アルファベータ合金の 3 つのカテゴリに分類されます。合金元素が酸素またはアルミニウムの場合、チタン合金はアルファ合金になります。
合金元素がバナジウムとモリブデンの場合、チタン合金はベータ カテゴリになります。アルファベータ合金は、アルファ合金とベータ合金の中間に位置します。これらのカテゴリにはそれぞれ異なる特性があります。主な違いを示す表を以下に示します。
| アルファ (α) 合金 | ベータ (β) 合金 | アルファベータ合金 |
| アルミニウムや酸素などの元素を含むチタン。 | バナジウム、モリブデン、クロムなどの合金元素。 | アルファとベータの中間です。 |
| 熱処理不要、優れた耐腐食性。 | 熱処理可能、優れた成形性。 | 熱処理可能でバランスの取れた特性。 |
| 優れた溶接性と耐高温性。 | 溶接性は良好、耐熱性はアルファより低い。 | 中程度から高温耐性。 |
これらの合金はさらに細分化され、それぞれのチタン合金にはさまざまなグレードがあります。これらのグレードはすべて、多くの業界で共通です。しかし、航空宇宙および自動車部門がこれらに大きく依存していることに気付きました。その理由は、軽量で堅牢な性質です。
各国で一般的に使用されているチタンとチタン合金のグレードの比較表
| 番号付け | 中国
GB/T |
国際規格 ISO | 米国
ASTM |
ロシア TOCT | フランス
NF |
ドイツ
DIN |
日本
JIS |
| 1 | TA1 | Grade1 | GradeF1 | BT1-00 | T40 | Ti1 | Level 1 |
| 2 | TA2 | Grade2 | GradeF2 | BT1-0 | T40 | Ti3 | Level 2 |
| 3 | TA3 | Grade4A/4B | GradeF3 | BT1-0 | T40 | Ti4 | Level 2 |
| 4 | TA4 | Grade3 | GradeF4 | BT1-0 | T40 | Ti4 | Level 3 |
| 5 | TC4 | TiAl6v4 | GradeF5 | BT6 | TA6V | TiAl6V4 | YATB640 |
| 6 | TC11 | – | – | BT9 | – | – | – |
| 材質名 | 中国標準 | 米国標準 |
| チタンおよびチタン合金板 | GB/T3621 | ASTM B265 |
| チタンおよびチタン合金棒 | GB/T2965 | ASTM B348 |
| チタンおよびチタン合金管 | GB/T3624 | ASTM B337 |
| 熱交換器および凝縮器用のチタンおよびチタン合金管 | GB/T3625 | ASTM B338 |
| チタンおよびチタン合金のストリップおよび箔 | GB/T3622 | ASTM B265 |
| チタンおよびチタン合金のケーキとリング | GB/T16598 | ASTM B381 |
| チタンおよびチタン合金線 | GB/T3623 | ASTM B863 |
|
外科用インプラント用チタンおよびチタン合金加工材料 |
GB/13810 |
ASTM F67 |
| ASTM F136 |
一般的に使用されるチタンおよびチタン合金のグレードと化学組成（GB / T 3620.1-2007）
| Alloy grade | 化学組成グループ | Main ingredients/% | ||||||||||||
| Ti | Al | Sn | Mo | V | Cr | Fe | Mn | Zr | Pd | |||||
| Chinese standard | USA standard | Russia standard | Janpan Standard | |||||||||||
| TA1ELI | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||||
| TA1 | GR1 | BT1-0 | TP270 | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | |
| TA1-1 | GR1 | BT1-00 | Industrial pure titanium | ≤0.20 | – | – | – | – | – | – | – | – | ||
| TA2ELI | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||||
| TA2 | GR2 | TP340 | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||
| TA3ELI | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||||
| TA3 | GR3 | TP450 | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||
| TA4ELI | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||||
| TA4 | GR4 | TP550 | Industrial pure titanium | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ||
| TC4ELI | Ti-6Al-4VELI | 5.5～6.5 | – | – | 3.5～4.4 | – | – | – | – | – | ||||
| TC4 | GR5 | BT6 | TAP6400 | Ti-6Al-4V | 5.5～6.75 | – | – | 3.5～4.5 | – | – | – | – | – | |
| TA9 | GR7 | TP340Pb | Ti-0.2Pd | – | – | – | – | – | – | – | – | 0.12～0.25 | ||
| TA9-1 | GR11 | Ti-0.3Pd | – | – | – | – | – | – | – | – | 0.12～0.26 | |||
| TA18 | GR9 | OT4-B | TAP3250 | Ti-3Al-2.5V | 2.0～3.5 | – | – | 1.5～3.0 | – | – | – | – | – | |
| TA10 | GR12 | Ti-0.3Mo-0.8Ni | – | – | 0.2～0.4 | – | – | – | – | – | – | |||
| Main ingredients/% | Impurities, not more than/% | ||||||||||
| Ni | Cu | Nb | Si | B | Fe | C | N | H | O | Other elements | |
| single | total | ||||||||||
| – | – | – | – | – | 0.1 | 0.03 | 0.012 | 0.008 | 0.1 | 0.05 | 0.2 |
| – | – | – | – | – | 0.2 | 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.18 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | ≤0.08 | – | 0.15 | 0.05 | 0.03 | 0.003 | 0.12 | – | 0.1 |
| – | – | – | – | – | 0.2 | 0.05 | 0.03 | 0.008 | 0.1 | 0.05 | 0.2 |
| – | – | – | – | – | 0.3 | 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.25 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.25 | 0.05 | 0.04 | 0.008 | 0.18 | 0.05 | 0.2 |
| – | – | – | – | – | 0.3 | 0.08 | 0.05 | 0.015 | 0.35 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.3 | 0.05 | 0.05 | 0.008 | 0.25 | 0.05 | 0.2 |
| – | – | – | – | – | 0.5 | 0.08 | 0.05 | 0.015 | 0.4 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.25 | 0.08 | 0.03 | 0.012 | 0.13 | 0.1 | 0.3 |
| – | – | – | – | – | 0.3 | 0.08 | 0.05 | 0.015 | 0.2 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.3 | 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.25 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.2 | 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.18 | 0.1 | 0.4 |
| – | – | – | – | – | 0.25 | 0.08 | 0.05 | 0.015 | 0.12 | 0.1 | 0.3 |
| 0.6～0.9 | – | – | – | – | 0.3 | 0.08 | 0.03 | 0.015 | 0.25 | 0.1 | 0.4 |
チタン合金の用途
チタンの用途は数多くあります。この金属は堅牢で耐腐食性があります。メーカーが使用せざるを得ない多くの価値ある利点があります。たとえば、軽量であるため航空宇宙産業に適しています。その一方で、錆びにくいため海洋産業では際立っています。チタン合金のさまざまな用途について詳しく説明しましょう。
1- 航空宇宙産業
航空宇宙産業では、エンジニアは空気力学を改善することを目指しています。そのため、軽量の材料を使用します。しかし、これらの材料はあまり耐久性がありません。そのような場合、チタンが役立ちます。チタンは軽量で、強く、耐久性があり、航空機を空気力学的に完璧なものにします。
メーカーは、多くの航空機部品の製造にチタンを使用しています。例としては、機体、着陸装置、翼構造などがあります。多くのエンジン部品にもさまざまなチタン合金が使用されています。ブレード、ディスク、鋳造品などは、この材料に大きく依存しています。これらの部品は高温にも耐えられるため、際立っています。
2- 医療業界
特性についてお話しした際に、チタンは人体に無害であると述べました。人体内に残っていても毒性はありません。そのため、メーカーはチタン合金を使用して歯科インプラントを製造しています。この材料は生体組織と一体化する能力が際立っています。他の多くの医療機器でもチタン合金が使用されています。
3- 自動車業界
チタンは非常に頑丈で、高温に耐性があります。さらに、軽量で密度が低いため、自動車業界で使用するのに理想的な選択肢です。車両の排気管はチタン合金で作られています。
排気システムは非常に高温のままです。チタンは高温に耐え、劣化しません。そのため、エンジン部品に使用するのに最適です。さらに、軽量であるため、車両の燃費が向上します。
4- 海洋業界
先ほど述べたように、チタンは優れた防錆能力を備えています。過酷な条件で使用してもすぐに錆びることはありません。この特徴により、チタンは海洋業界に最適です。船体、プロペラなどは塩分の多い海水の中にあります。したがって、これらの部品をチタンで作ると、長期間錆びるのを防ぐことができます。
5- 軍事防衛産業
チタンは高価なので、装甲や武器には使用されていません。しかし、メーカーは軍用車両を作るのにもこの材料を使用しています。これらの車両は、安全性を高めるために爆発装置に耐える必要があります。また、軍用車両は荒れた道路を走行します。そのため、チタン合金は耐久性があり長持ちします。さらに、エンジニアは軍用戦闘機にチタンを使用することを好みます。