チタン合金とは

ちたんごうきん

密度が鋼の約6割と軽く、比強度と耐食性に優れた合金。HCPのα相とBCCのβ相の割合で、α型、α+β型、β型に分かれる。

「チタン合金」は、2分野の2問の練習問題に出てきます(金属材料と合金, ガラスと非晶質材料など)。

αとβ、2つの相

純チタンは882℃より低い温度でHCPのα相、高い温度でBCCのβ相をとります。添加元素は、この変態の温度(β変態点)を上げるα安定化元素(Al、O、N、C)と、下げるβ安定化元素(V、Mo、Nb、Ta、Fe、Crなど)に分けられ、SnやZrは変態点にあまり影響しない中性の元素です。室温でα相が主体ならα型、両方の相が混ざるならα+β型、β相を室温まで残したものがβ型です。最も多く使われるのはα+β型のTi-6Al-4Vで、チタン合金の生産量のおよそ半分を占めるといわれます。

軽さの意味を正しく読む

チタン合金の密度は約4.4〜4.5 g/cm³ で、鋼の約6割ですが、アルミニウム合金の約1.6倍あります。ヤング率も約110 GPaと鋼の約半分なので、比剛性(ヤング率/密度)は鋼やアルミニウム合金とほとんど同じです。チタン合金が優れるのは比強度で、Ti-6Al-4Vの引張強さは約900〜1000 MPaに達し、アルミニウム合金が使えない数百℃の温度でも強さを保てるので、ジェットエンジンの圧縮機の部品にも使われます。軽くて剛いことより、軽くて強く、さびにくいことが選ばれる理由です。

耐食性と苦手なこと

チタンは表面の緻密なTiO₂の不動態皮膜のおかげで、海水や塩化物を含む環境で非常に高い耐食性を示し、化学プラントの熱交換器や海水淡水化の装置に使われます。炭素繊維と接触させてもガルバニック腐食を起こしにくいので、CFRPの機体の締結具にも向きます。一方で、熱伝導率が小さく(Ti-6Al-4Vで約7 W/(m·K))、切削の熱が刃先にこもりやすいうえ、高温で工具と反応しやすいので、削りにくい材料です。高温では酸素を吸ってもろい表面層(αケース)ができ、水素を吸うと水素ぜい化も起こします。

熱処理と製造

α+β型合金では、β変態点(Ti-6Al-4Vで約1000℃)との関係で加工や熱処理の温度を選び、組織の形を変えて、強さと靭性、疲労強度の釣り合いを調整します。溶体化処理と時効でα相を細かく析出させると、さらに強くできます。チタンは高温で酸素や窒素と激しく反応するので、溶解は真空や不活性ガスの中で行い、スポンジチタンを真空アーク再溶解でインゴットにします。これが価格の高い理由の一つで、最近は、粉末を使った積層造形で材料の無駄を減らし、複雑な形の部品をつくる方法も広がっています。

チタン合金の練習問題に挑戦

あるチタン合金は引張強さ950 MPa、密度4.43 g/cm³、ある高張力鋼は引張強さ1200 MPa、密度7.85 g/cm³である。チタン合金の比強度(引張強さ/密度)は、鋼の比強度の約何倍か。

A約0.79倍
B約1.4倍
C約1.8倍

答えと解説を見る

正解：B. 約1.4倍

比強度はチタン合金が 950/4.43 ≈ 214 kN·m/kg、鋼が 1200/7.85 ≈ 153 kN·m/kg なので、比は 214/153 ≈ 1.40、つまり約1.4倍です(MPaをg/cm³で割った値は、単位をそろえるとkN·m/kgになります)。約0.79倍は引張強さだけを比べた値(950/1200)で、軽さを考えていません。約1.8倍は密度の比(7.85/4.43 ≈ 1.77)だけをとった値で、強さの違いを無視しています。同じ荷重を支える部材なら、比強度が高いほど軽くつくれるので、航空機の部材ではチタン合金やアルミニウム合金、炭素繊維複合材料が使われます。ただし材料の値段や加工のしやすさも含めて選ぶ必要があります。

よくある質問

チタン合金はアルミニウム合金より軽いですか?

いいえ。密度は約4.4 g/cm³ で、アルミニウム合金の約2.7 g/cm³ より重く、鋼の約7.8 g/cm³ より軽い中間の値です。強さを密度で割った比強度で比べると、多くのアルミニウム合金より優れます。

Ti-6Al-4Vの数字は何を表しますか?

質量%でAlを約6%、Vを約4%含むことを表します。Alがα相を、Vがβ相を安定にし、α+β型の代表的な合金になっています。日本では64チタンと呼ばれることもあります。

純チタンとチタン合金はどう使い分けますか?

純チタンは強さは低いものの、成形しやすく耐食性に優れるので、化学装置や建材、熱交換器の管に使われます。高い強さが必要な航空機の部品やボルト、人工関節などには合金を使います。

解説の中の「チタン合金」

比強度はチタン合金が 950/4.43 ≈ 214 kN·m/kg、鋼が 1200/7.85 ≈ 153 kN·m/kg なので、比は 214/153 ≈ 1.40、つまり約1.4倍です(MPaをg/cm³で割った値は、単位をそろえるとkN·m/kgになります)。
あるチタン合金は引張強さ950 MPa、密度4.43 g/cm³、ある高張力鋼は引張強さ1200 MPa、密度7.85…
鋼(降伏応力0.5 GPa、ヤング率200 GPa)では約0.25%、高強度のチタン合金(0.9 GPa、110 GPa)でも約0.8%なので、金属ガラスの弾性ひずみの限界はずっと大きくなります。
あるZr基バルク金属ガラスの降伏強さが1.8 GPa、ヤング率が90 GPaである。弾性ひずみの限界を σy/E で見…