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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

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。

鉄や銅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1970年にイギリスで発見されて、我々の生活の中で実際に使用されるようになったのは1946年からと、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「合金チタン」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。

合金チタンとは、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

チタンは重さあたりでの対比強度が金属の中でトップクラスに優れています。

具体的には鉄の約2倍、アルミニウムの約3倍もあります。

軽い

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。

前記した強度と軽さがチタンの最大の特徴と言えます。

熱に強い

融解温度(熱によって溶ける温度)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。

そのため、非常に溶けにくい金属であると言えます。

耐食性に優れている

錆びにくい金属の代表格であるステンレスと同様に、チタンも不動態皮膜を形成するため優れた耐食性を持っています。

中でも海水に強く、海水に対しての耐食性は白金(プラチナ)にも匹敵すると数値となっています。

人体に対して無害

チタンは生体適合性が良いと高いとされていて、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。

しなりが良い

変形の少なさを数値化した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)

チタンの良くない特徴

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。

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。

チタンが高価な理由には、製造時のコストが関係します。

チタン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。

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い強度などの優れた性質がいくつもありますが、その優れた性質が加工性が優れない原因となってしまっています。

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てしまい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、火の気があるとすぐに燃焼してしまします。

チタンの燃焼を鎮火するためには水は厳禁です。水で沈下を行うと水素ガスが発生し水蒸気爆発の危険があるため、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。

前記したとおりヤング率は鉄の2分の1のため、同じ力をかけた際に鉄の約2倍も変形やひび割れを起こしやすいということになります。

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

溶接加工はチタンの加工方法の中で最も難しい加工方法と言われています。

その理由として、チタンは溶接の際に空気中の酸素や窒素と反応して溶接部分が脆くなってしまうということが挙げられます。

そのため、そのためチタンの溶接の際には溶接部分を空気から遮断することが重要です。

また、チタンと別種の金属では溶接時に金属間化合物が生成されるため直接溶接することが難しいとされています。

したがって、別種の金属とチタンを接合する際はロウ付けされることが多いです。

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

上記が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「合金チタン」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に優れた性質を持っている。

・チタンの製造に膨大な高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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