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チタンとは

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About Titanium

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チタンとは

金属として身近なものは「鉄」「銅」「アルミ」などが一般的で、銅は6000年前、鉄は4000年前から使われています。 「チタン」は1790年イギリスの海岸で新しい金属元素(チタンの始まり)が発見されてから、 5年後にドイツの化学者が鉱石中から「チタン」元素を見出し、1910年アメリカの化学者が純度99.9%のチタンを抽出することができ、これによって「金属チタン」が世の中に誕生しました。
チタンが工業/産業で幅広く取り入れられるようになったのは戦後(1946年)で金属材料としてはまだ新しく実用化されてから70年、未知の可能性に満ちた金属です。 元素記号 「Ti」で表される銀灰色の金属です。
他の金属に比べて軽量・高強度・耐食性に優れるなど、多くのメリットを持ち、先端技術に欠かせない実用金属です。宇宙・航空機用材料から各種プラント設備、建築材料、 身近な生活用品に至るまで、その用途・可能性・夢は、限りなく広がっています。

チタンとは

チタンになるまで

チタン鉱石⇒スポンジチタン⇒チタンインゴット⇒展伸材
用途に応じて、それぞれ圧延・鍛造・鋳造工程を経て、板・棒・管・線・鋳造などのさまざまな展伸材が製造されています。

チタンになるまで

チタンのメリット

高比強度

重さあたりでは、アルミニウムの約6倍、鉄の約2倍の強度です。 ステンレスと比べても比重に対する強度ではチタンの方が勝っており、質量を軽くすることができます。 高強度を活かして、航空宇宙分野では機体構造材、エンジン部品、ロケット部品、燃料タンクなど使われています。 モータースポーツ分野ではエンジン部品(コンロッド、バルブ、リテーナー、ボディ、サスペンションなど)や二輪、四輪排気管などに使われています。 また、強い金属だけでなく、バネのようにもどる力(スプリングバック)も鉄の2倍近くあり、曲げても戻る性質のある金属です。 熱にも強く、溶解温度は、鉄が約1530度、銅が約1080度、アルミが約660度であるのに比べ、チタンは約1660度と鉄よりも強いのです。

チタンのメリット/高比強度

高耐食性

海水に強く、海水耐食性は白金(プラチナ)に匹敵、他の主要金属より優れています。 電力・プラント関連では海水淡水化装置、復水器、苛性ソーダ電解槽、熱交換器などに使われ、海洋土木関連では深海艇、海低石油ライザーパイプ、生け簀用網などに使われています。

チタンのメリット/高耐食性

軽量

比重が4.51で鉄の約60%、銅の約1/2の軽さです。軽量化の特性を活かしてスポーツ用具(ゴルフ、自転車、登山用具など)や民生品(メガネフレーム、時計、カメラなど)など、さまざまな分野に使われています。

チタンのメリット/軽量

無害・生体適合性

金属アレルギーなど人体にやさしい安全な金属です。人口骨、インプラント部品、心臓ペースメーカー、補装具、マイクロサージなどに使われています。 金属アレルギーは、金属と汗などの水が触れることによって、 イオンが発生し、それが原因となって起こりますが チタンは他の金属に比べて有毒性が低く、金属アレルギーの原因となるイオンの発生が少ない為、アレルギーを引き起こしにくく生体適合性が良いとされています。 その他の特徴といたしまして、以下が挙げられる。

  • 形状記憶性
  • 非磁性である
  • 線膨張係数が小さい
  • 熱伝導率が小さい
  • 電気抵抗が大きい
  • 良加工性
  • 意匠性
チタンのメリット/無害・生体適合性

チタンのデメリット

価格が高い

チタンはステンレスに比べ重量比で約10倍近くの価格差があリます。 チタン鉱石(原料)から四塩化チタンの中間材料を作り、「マグネシウム還元法」でスポンジチタンを製造します。 その製造時に還元・真空分離させるために膨大な電気量が必要となり、生産性が上がらず他の鉄鋼材料に比べてコストが大幅にかかっているのが現状です。

加工が難しい

チタンの特性で熱伝導率が低いことから、切削時の熱が工具に蓄積し、 切刃に大きな応力がかかることと重なって、工具が摩耗したり、破損したりする場合があります。 したがって、加工経験と技術が重要となります。

チタンの種類

金属チタンには「純チタン」と「チタン合金」が有り、共通した性質と、異なる性質があります。一般的に純チタンは耐食材料として、 チタン合金は高強度材料として使用用途が分かれます。一部チタン合金でも高耐食チタン合金もあり、純チタンでは耐えられない環境などで使用されます。

純チタン

国内で最も一般的に用いられている種類の材料であり、一般的に「純チタン」と呼ばれています。 O,N,C,Fe,Hといった元素を含んではいますが、少量の為「純度の高いチタン」=純チタンという事です。純チタン1種は99.5%、2種は99.4%の純度となります。

チタン合金

チタンを用途や加性などに応じ機械的性質を向上させたものです。高強度、耐熱性、加工性、生体適合性、耐クリープ性、耐キズ付き性、溶接性、耐熱性などそれぞれに適した改良がされてきました。 海外では航空機分野で6Al-4V(AMS4911)がよく使用され近年日本でも需要が高まってきています。 各メーカーで独自のチタン合金を製造しています。

参考例:日本製鉄社製

Super‐TIX® 51AF(Ti-5Al-1Fe)・・・Gr5相当の強度
Super‐TIX® 523AFM(Ti-5Al-2Fe-3Mo)・・・Gr5より高強度
Super‐TIX® 10CUNB(Ti-1Cu-0.5Nb)・・・高耐熱性(加工性は純チタン2種同等)

大同特殊鋼製
DAT 51・・・冷間加工性に優れたβチタン合金
DAT 52F・・・切削性に優れたチタン合金
DAT 54・・・高耐熱チタン合金

オーファの加工品

チタン素材

チタン板

チタン板は国際的にもその特性が高く評価され、需要が増え続けています。
軽量、耐食性に優れ、アルミやステンレス材以上のメリットが期待されており、世の中に役立つ可能性に満ちた素材です。

製造方法

チタンインゴット(金属チタンの塊)をプレスなどでスラブに仕上げます。
その後、スラブを熱間圧延などで熱延コイル→冷間圧延→冷延コイルまたは切り板に仕上げます。
厚板はスラブからそのまま圧延を繰り返し指定サイズの厚さに仕上げます。

規格

JIS H 4600(1種、2種、3種、4種、11種など)
ASTM B265(Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.4、Gr.11など)
ASME SB 265(Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.4、Gr.11など)
AMS(AMS4900、AMS4901、AMS4902など)

表面仕上げ

ダル仕上げ、2B仕上げ、酸洗仕上げ、研磨仕上げ、発色仕上げなど

用途

航空・宇宙関連、電気・化学プラント関連(プレート式熱交換器、復水器、海水淡水化プラント、 苛性ソーダ電解槽など)、モータースポーツ関連(2輪・4輪用マフラー、燃料電池用セパレータなど)、 建築・モニュメント関連(屋根、外壁、鳥居など)、民生品関連(携帯部品、時計、アウトドア用品、眼鏡フレームなど)

チタン丸棒

純チタン丸棒及びチタン合金丸棒は幅広い分野に活躍している素材です。
チタン合金は特にその比強度に着目されて航空宇宙分野で採用され、チタン丸棒は軽量かつ耐食性から医療分野、化学工業分野からスポーツ関連部品等へと用途を拡大しました。 優れた物性に加え環境にやさしいチタンは飛躍的に拡大する可能性を秘めた夢のある素材です。

製造方法

チタン丸ビレットを熱間圧延工程後に、線材と棒材の二つ製造工程に分かれます。
チタン線材は線材圧延→焼鈍→引抜工程を繰り返してコイル状に仕上げます。
チタン棒材は棒圧延→焼鈍→圧延→焼鈍工程により棒状に仕上げます。
表面加工はセンタレス研磨、ピーリング、酸洗、鍛造仕上げなどがあります。

規格

JIS H 4650(1種、2種、3種、4種)、ASTM B348(Gr.1、Gr.2、Gr.3、Gr.4、Gr.5)、ASTM F136(ELI材 医療用)、AMS4928、Super-TIX523AFM(※1)などがあります。
※1: 日本製鉄独自規格品

用途

航空宇宙関連(機体構造材、エンジン部品、ロケット部品など)
医療関連(人工関節、インプラント、ボルトなど)
モータースポーツ関連(コンロッド・バルブ、スプリング、ボルトなど)
スポーツ関連(ゴルフヘッド、自転車部品、テニスラケット、アウトドア用品など)
ファッション関連(メガネフレーム、時計、カメラ、スマホなど)

チタンパイプ

チタンパイプは大きく分けて2つの製造方法があります。
チタン溶接管(TIG溶接※1)とチタンシームレス管(継目無管)です。

製造方法

チタン溶接管

チタン溶接管は、鉄やステンレスパイプと同様に、チタンコイル材料をパイプ径の展開値サイズ(およそ外径x3.14)のフープ条にコイルスリットをします。
溶接管ラインでの冷間フォーミング(ロール型は約5~7段)によりスリットコイルを連続的に丸く加工しながら、板状からパイプ状に成形しTIG溶接(※1)にてチタン溶接管に仕上げていきます。
※1:TIG溶接とはTungusten Inert Gasの略で電極棒にタングステンを使用して別の溶接棒またはフープ材料そのものをアーク中で溶融する方法です。

チタンシームレス管

チタンシームレス管は、丸ビレットから内径のピアシング加工(穴あけ)を行い、熱間または冷間引抜き加工でパイプに仕上げていきます。 また中国などでは引抜き加工機を使用しない方法でパイプ専用の冷間圧延機を使用しパイプに仕上げているのが主流です。

オーファの加工品

規格

  • 代表的な規格として、熱交換器用(溶接管、シームレス管)として「JIS H 4631」があります。
    適用種類は1種、2種、3種、11種、12種、他など。表記例はTTH 340 W(熱交換器用 2種 溶接管)
  • 熱交換器用以外の用途については、「JIS H 4365」が代表規格です。表記例はTTP 340 W(2種 溶接管)

用途

  • 発電所内配管設備、船舶関係、海洋土木、熱交換器、2輪・4輪向けマフラー、建材、食品設備、化学薬品工場設備、他など