金属加工のワンポイント講座

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チタン加工の基礎【チタン切削加工】

純チタンの比重は4.51で、鉄の6割程度と比較的軽い金属です。強度が高く耐食性に優れた金属でもあるため、アルミニウム合金やステンレスと比較しても優れた性能を持つ金属です。チタン合金はさらにモリブデンなどの他の添加金属により強化された素材で、より高い機械的強度が求められる環境で使用されます。

チタンの特徴

チタンは軽く高強度で外観が良く、優れた特徴の多い金属です。強度面や耐食性の強さなど他の金属よりも優れている面が多く、機械部品や食器やまな板などの生活用品の素材としても使用されています。

チタンには純度が99.999%以上の純チタンと、モリブデンなどの他の金属を添加したチタン合金があります。チタン合金は純チタンよりも強度や耐食性などが強化された非磁性の金属です。

軽い

チタン合金は軽い金属で、同体積当たりの重量はステンレス鋼の3分の2、銅の2分の1程度です。軽い金属の代表であるアルミニウム合金と比較すると1.6倍程度の重量です。

チタン合金ステンレス鋼アルミニウム合金
比重4.437.6~8.12.6~2.88.9
チタン合金との比較約1.8倍約0.6倍約2倍

比強度が高い

チタン合金は比強度が高く、ステンレス(SUS304)の約3倍あります。600℃の温度域まで他の金属素材よりも優れています。

純チタンチタン合金(6AL-4V)ステンレス(SUS304)アルミニウム合金(A5052P)
引張強度(N/mm2)393999588212213
比強度87.1225.574.475.723.9

耐食性が高い

チタンは耐食性に優れ、特に海水に接触する環境に強い金属です。これはチタン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優れた耐食性を発揮するためです。同じく耐食性の高いステンレスよりも海水中での耐食性に優れています。

チタンが耐食性に優れている理由

チタンが耐食性に優れる理由には、この金属が極めて化学的に活性であることが関係しています。チタンは酸素に触れると酸化し、一度酸素と結合すると、酸素を分離するのがとても難しくなる性質があります。表面に薄いチタン酸化物の皮膜(不動態皮膜)ができることで、皮膜が周りの環境からチタン本体を保護する役割をします。この強固な皮膜が、錆や腐食環境に強い理由です。

人体に優しい

チタン合金は毒性がなく、生体親和性の高い金属です。金属アレルギーを起こしにくく、医療機器や体内に埋め込む器具にも使用されます。骨と拒否反応を起こすことなく結合できるという他の金属にはない特徴があります。

熱伝導率が低い

チタン合金は熱伝導率が約7.5w/m・Kと低く、熱の移動が起きにくい金属です。同じく熱伝導率が低いステンレス(SUS304)の半分です。

チタンの種類

純チタンはJIS1種・2種・3種・4種と分かれます。1種が最も柔らかく、2種、3種、とより硬くなります。純度は1種が最も高く2種、3種、4種となるにつれて低くなります。また、航空機などに使われることが多いJIS60種(64合金)は非常に強度が高い反面、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合金より優れています。

チタン加工のメリット

軽量化に適している

チタンはステンレスと同じ体積で比べると3分の2程度の重量です。軽く運搬しやすいため加工がしやすく、輸送コストを下げることもできます。

金属を素材にして作る装置は、大型化すればそれに伴い重量も大きくなります。そのため重量によっては2階以上の建物に設置することが困難になることもあります。そのような場合にチタン加工で部品を軽量化することができます。

腐食に強い

金属は基本的に空気中で酸化していきます。チタンは空気中の酸素と反応して表面に酸化皮膜が形成され、それ以上の反応が起こりません。この酸化チタンの皮膜が強固であるため、海水中での使用もステンレス以上の耐食性を発揮します。

人体に触れる場面にも使用できる

チタンは毒性がなく、金属アレルギーが起きにくい金属であるため、人体に接触する場面にも使用することができます。チタンが空気中の酸素と反応して表面に生成する酸化チタンは抗菌性が高く、食器などの素材としても優れています。

チタン加工上の注意点

チタンは耐食性、耐熱性、比強度に優れた素材です。しかし、それらの優れた特性が原因となり、切削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。チタンの切削加工時に起こりやすい問題は以下の4つ挙げられます。

  1. 熱伝導率が小さいため、切削時に発生した熱が逃げずに工具と加工素材に蓄積して工具の磨耗が激しくなる。
  2. 化学的に活性な素材であるため、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、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発生する。

チタン加工実績

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