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チタンとは

2017.01.23

「チタン」という言葉は耳にしたことはあっても、具体的にどのようなところに使われているのかご存知ですか?

チタン(チタン合金を含む)の主な応用分野は次のとおりで、幅広く使われています。

・航空・宇宙(ロケット、エンジン)

・化学プラント(電極、反応槽、熱交換器)

・自動車、オートバイ(エンジン部品、超電動モーター、スプリング、マフラー)

生体適合性を活かしたもの

・医療(インプラント)

低ヤング率と高強度や軽さを活かしたもの

・民生品(メガネフレーム、ゴルフドライバー、ラケット、アイゼン、ピッケル)

この分野を見ると、とても丈夫で硬いイメージを持ちますよね。



*チタン材の種類

チタン材料は、主に純チタンとチタン合金の2種類に分けることが出来ます。

純チタンはJIS1種、JIS2種などであり、チタン合金は代表的なものとしては、高力合金系のJIS60種(通称6-4合金)や、JIS61種(通称3-2-5合金)、また15-3-3-3合金といったものがあり、耐食系合金としては、JIS11種、JIS12種(通称パラ入りチタン合金)などがあります。


またチタンの金属組織にはα相・β相の2種類があります。純チタンは常温ではα相であり、64合金はα相、β相両方を持つα-β合金です。また15-3-3-3合金は準安定のβ相をもつ、β合金です。



*チタンの特性

チタンの比重は、鉄とアルミの中間で軽い金属です。また比重の割には強度が高く、特にチタン合金は実用金属のなかでも最大クラスの比強度をもっています。チタンは耐食性に優れていますが、これはチタン材の表面に形成される、酸化チタンの皮膜が強固であることにより、特に塩素イオンに対しては優れた耐食性を発揮します。
しかしその反面、化学的に活性であるため、酸素や窒素と反応しやすいという一面もあります。その他欠点としては、特に純チタンにおいては磨耗しやすいということが挙げられます。またチタン及びチタン合金は、非磁性の金属でもあります。



*チタンの種類による材料の特性

純チタンと言われるものにはJIS1種・2種・3種・4種などがありますが、材料の特性としては1種が最も柔らかく、2種よりは3種、とより硬くなります。またチタンの純度は1種が最も高く2種、3種、4種とだんだん低くなっていきます。

また航空機などに使われることが多いJIS60種(64合金)は非常に高強力ですが、難削材であり、加工が難しいという問題点があります。この加工性の問題に着目して開発されたのがβ系の15-3-3-3合金などであり、64合金とほぼ同等の強度を持ちながら、冷間での加工性は64合金より優れているのが特徴です。



*チタンの硬度

チタンは比強度には優れていますが、それほど硬い金属ではありません。あくまで参考値程度のものですが、HV(ビッカース硬度)で、JIS1種で110以下、JIS2種で110~155、JIS60種(64合金)で280以上程度になります。



*なぜチタンは優れた耐食性を示すのか?

純チタンは多くの環境でステンレス鋼をしのぐ優れた耐食性を示し、 加えて機械的性質も低炭素鋼並みです。そのため主に耐食性を必要とする部材には純チタンがそのまま使われています。

なぜチタンが、それほどまでに優れた耐食性を示すのか?一言で言うと、「チタンという金属が極めて活性な金属であること」にポイントがあります!チタンは酸素に触れると酸化し、いったん酸素と結合してしまったら、酸素を引き離すのがとても難しいのです。

しかし、この表面にだけごく薄いチタン酸化物の皮膜(不働態皮膜)ができることで、この皮膜が外界からチタンを保護する役目をして、酸素や腐食性の酸や海水などの多種多様な腐食性の環境からチタンを守ってくれるのです!しかも、このチタンの不働態皮膜は他の金属に比べて特に強固なんです!このことが極めて優れた耐食性を示す大きな要因となっています。
これで容易に削れる材質であれば、みんな大喜びなのですが・・・



*チタン切削の問題点

チタンは耐食性、耐熱性、高強度などの優れた材料特性を示します。しかし、それらの優れた特性が原因となり、切削時の工具寿命が短くなるため、チタンは難削材に分類されます。

チタンの切削時に起こりやすい問題としては以下の5項目が挙げられます。



*チタン加工の問題点

①熱伝導率が小さいため、切削時に発生した熱が逃げられずに工具と加工材に蓄積するため工具の磨耗が大きくなる。

②科学的に活性なため、切削速度が増すと切削熱の発生が多くなり、切削部の温度が高くなるため活性度が増し、工具の磨耗が大きくなる。

③継続的な変形により切りくずが生成されるため、刃先に加わる切削抵抗の変動が大きく、刃先が欠けたり、大きく磨耗しやすい。

④ヤング率が小さいため切削したときに加工材が大きく変形しやすく、特に薄物の加工では、加工精度の低下やびびりが生じる。

⑤磨耗した工具や薄い切りくずが出る条件で切削した場合、熱で切りくずが発火することがある。

→要するに、

寿命が著しく短くなる

工具加工精度、面粗度が悪くなる

切り粉が発火、しいては火災の原因となる。



*チタン加工の問題とその対策

前述した加工上の問題点やそれに伴う、加工トラブルを発生させるチタンですが、そうした問題の対応策として一般的に、下の4点が挙げられます。

①切削速度の低下

②切削油による冷却

③適正工具の選択

④適正工作機械の選択

加工が難しいチタンですが、弊社には技術と経験のある加工者がいますので、安心してお任せください。

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