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チタンの加工性や特徴について詳しく解説!

金属の種類について
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チタンとは

チタンは元素記号「Ti」で表される銀灰色の金属です。

鉄(Fe)や銅(Cu)は鉄器や青銅のように何千年も前から使用されていますが、チタンの歴史はまだ浅く1795年にドイツで発見されました。

そして、我々の生活の中で実際に使用されるようになったのは1950年代からと、わずか70年ほど前からなのです。

強度や耐食性など他にもいくつもの優れた性質を持ち、工業用をメインに宇宙開発や建築の材料など様々な場面で使用されています。

チタンの種類

チタンは大きく「純チタン」と「チタン合金」で別れており、純チタンとはその名の通り不純物をほとんど含んでいないチタンとなります。

チタン合金とは、実際に使用する用途に合わせて強度や重さなどを他の元素を混ぜることによって調整したチタンになります。

チタンの優れた特徴

冒頭でも少し紹介しましたが、これからチタンの優れた性質を紹介していきます。

強度が高い

チタンは密度あたりの強さ(比強度)が鉄の約2倍、アルミニウムの約3倍もあり、金属の中でトップクラスです。

軽い

アルミニウムよりも重いですが、鉄やステンレスと比べてチタンの比重は約60%と非常に軽いです。

熱に強い

融点(溶ける温度)は鉄が約1500℃、銅が約1000℃なのに対し、チタンは約1600℃と非常に高いです。

耐食性に優れている

錆びにくい金属と言えば代表格であるステンレスが思い出されますが、海水などの塩には弱いという点がありました。

一方、チタンも強力な不動態皮膜を形成するため優れた耐食性があり、中でも海水に強く、白金(プラチナ)にも匹敵します。

ただし、チタンは水のある環境で他の金属と接触した状態で使用すると腐食するので注意が必要です。

人体に対して無害

チタンは生体適合性が高いとされていて、金属アレルギーなど引き起こしにくいため安心して使用することができます。

そのため、インプラントやペースメーカーなどに使用されています。

良くしなる

変形のしやすさを表すヤング率が鉄やステンレスの2分の1と、かなりしなる性質を持っています。(低ヤング率)

チタンの価格

耐久性、耐食性、耐熱性などたくさんの優れた性質を持ったチタンですが、そのデメリットとして非常に高価であるという点があります。

チタンが高価な理由は製造時に膨大な量の電力を必要とするため、他の金属と比べて生産性が悪く価格が高騰してしまいます。

具体的には同じ重量でステンレスの約10倍もの価格になります。

チタンの加工性

幅広い汎用性を持つチタンですが、どのように加工されていて加工性は優れているのでしょうか。

これからチタンの加工方法と加工性について解説していきます。

チタンの切削加工

チタンには耐熱性や高強度などの優れた性質がいくつもありますが、それが原因で加工性が優れないこととなっています。

チタンは熱伝導率が低いため、切削時の抵抗により発生した熱が切削工具へと集中してしまします。

そのため、切削工具が熱により変形や欠損しトラブルの原因となるのです。

更に、切削加工時に出る粉体はとても発火しやすく、消火のために水を用いると水素ガスが発生し爆発の危険があります。

そのため、水での消火は厳禁で金属火災専用の消火剤を使用しましょう。

また、チタンは低ヤング率のため切削の際にかかる力により変形や割れを起こしやすいのも特徴です。

そのため、チタンの切削加工には高い技術と豊富な知識が必要となります。

チタンの溶接加工

チタンの溶接部は機械的性質や耐食性の変化の少ない優れた金属です。

例えば、ステンレス鋼の場合では溶接部の耐食性は著しく低下しますが、チタンの場合はその心配がありません。

ただし、チタンは酸素や窒素と反応すると溶接部分が硬く脆くなってしまうということが挙げられます。

そのため、チタンの溶接の際には真空チャンバーやシールドガスで溶接部分を空気から遮断することが重要です。

チタンの曲げ加工

チタンは比較的簡単に曲げ加工を行うことができます。

しかし、チタンは他の金属と比べスプリングバック(曲げ加工後に元の形に戻ろうとする現象)が大きいため、曲げ加工時の圧力やスプリングバック時の対処法などをしっかりと計算しなくてはなりません。

チタン加工の難易度

チタンは耐熱性や耐食性など様々な優れた性質を持ち幅広い汎用性のある金属ですが、加工の難易度が高いという弱点もあります。

そのためチタンは「難削材」と呼ばれています。

チタンを加工する際のデメリットをまとめると、「工具の摩耗が激しい」「発火の危険性がある」「割れや変形を起こしやすい」「元の形に戻りやすい」「他の金属と溶接できない」が挙げられます。

チタンはかなり加工の難易度の高い金属ですが、チタンの加工業者が多いのはチタンがそれほど魅力のある金属だからなのです。

チタンの用途

では、実際にチタンはどのような場所で使われているのでしょうか。使用する場面に分けて紹介していきます。

  • 科学施設:電極や貯蔵庫、配管
  • 自動車:エンジン、マフラー
  • 宇宙開発:ロケットのエンジン、燃料タンク
  • 医療現場:ペースメーカー、インプラント
  • 生活用品:カメラ、時計、調理器具

上記はチタンが使用されている一部分ですが、本当にたくさんのものに使用されています。

今はまだチタンは難削材と呼ばれる加工が難しい金属ですが、さらに効率的に加工するため今後加工技術の発達が進んで行くでしょう。

ポイント

・チタンは「純チタン」と「チタン合金」に分かれており、用途によって使い分ける。

・「耐熱性」「高い強度」「耐食性」など金属の中でもトップクラスの性質を持っている。

・チタンの製造に膨大な高コストがかかるためとても高価な金属。

・加工性は悪く難削材に分類されている。

・曲げ加工は比較的簡単にできる。

・チタンはその優れた性質から宇宙開発から日用品まで様々な物に使用されている。

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