TC4（Ti-6Al-4V）と他のチタン合金の加工における主な違い

工学および製造の観点から見ると、TC4（Ti-6Al-4V、グレード5）の加工は、他のチタン合金とは異なる一連の課題と考慮事項を伴います。これは主に、α系とβ系の中間に位置するその特有の金属組織に起因します。主な違いは、化学組成、強度、熱的特性、そして結果的な被削性にあります。

金属組成と微細組織

TC4はα-β二相合金であり、アルミニウムがα相を安定化させ、バナジウムがβ相を安定化させます。このバランスの取れた構造により、優れた機械的特性が得られます。これに対し、商業純チタン（CPチタン、例：グレード2）は主にα相で構成され、より軟らかく延性が高く、加工しやすいものの、強度は低くなります。β系合金（例：Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3））は、β安定化元素を多く含みます。これらの合金は、溶体化処理状態では延性が高く加工しやすいですが、時効処理後には非常に高い強度を発揮し、その結果、二次加工では極めて硬く、加工難度が上がります。

被削性と工具摩耗

TC4はしばしばチタン加工の基準材料と見なされますが、それでも依然として難削材です。引張強さ（約900MPa）と高温でその強度を維持する特性により、切削力と工具負荷が高くなります。最大の問題はその低い熱伝導率であり、切りくずに熱が逃げず、工具とワークの界面に熱が集中します。その結果、工具摩耗の加速、刃先の塑性変形、加工硬化が発生します。パラメータが適切でない場合、これらの現象が顕著になります。より軟らかいCPチタンに比べ、TC4はより強固な工具、低い切削速度、そして積極的な冷却を必要とします。時効硬化したβ合金（例：Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr（Ti5553））と比べると、TC4の方が加工しやすいといえます。なぜなら、時効後のβ合金は1100MPaを超える強度を持ち、極めて研磨性が高く、工具摩耗を引き起こすためです。

熱管理と切りくず制御

すべてのチタン合金に共通する低熱伝導率は、TC4加工においても重要な要素です。しかし、TC4は特有の切りくず形成挙動を示します。TC4は「のこぎり歯状（セグメント化）」チップを生成します。これは断熱せん断によるもので、理論的には切削エネルギーを低減しますが、薄く鋭い切りくずとなるため、絡まりやすく、切削ゾーンへのクーラント流入を妨げるリスクがあります。そのため、効果的な切りくず排出が最優先であり、工具内を通して供給する高圧・大流量クーラントシステムが求められます。当社のCNCフライス加工サービスおよびCNC旋削サービスでは、これらの条件を最適化しています。これに対し、延性の高いCPチタンでは長く連続した切りくずが発生しやすく、高強度β合金ではさらに細かく断片化したが非常に研磨性の高い切りくずが発生します。

工具およびプロセス戦略

TC4を成功裏に加工するには、専用の戦略が不可欠です。鋭利で研磨された刃形を持つ超硬工具と、PVD AlTiNなどの特殊コーティングを使用するのが標準です。機械、ワーク、治具の剛性を最大限確保することが必須であり、チタン特有の振動やビビりに対抗するために重要です。トロコイド加工やピックドリリングが、工具の接触制御と熱管理のために多用されます。より難削な合金、つまり超合金CNC加工サービスに分類される材料では、これらの戦略が限界まで活用され、時には放電加工（EDM）などの非従来加工法が必要になる場合もあります。さらに、CNC加工用熱処理のような後処理熱処理をTC4に適用して応力を除去することも可能であり、これは高性能チタン合金全般に共通する一般的な工程です。

用途主導の合金選定

合金の選定は、基本的に用途によって決定されます。TC4は強度、軽量性、耐食性、生体適合性のバランスが非常に優れており、航空宇宙構造部材や医療機器（インプラントなど）における標準合金として広く使用されています。より高い静的強度や疲労性能が求められる場合は、Ti5553のようなβ合金が選択されますが、その分加工難度が高くなります。強度要件がそれほど厳しくなく、耐食性が主目的の場合は、加工が容易なCPチタンが経済的な選択肢となります。当社の精密加工サービスでは、これらすべてのチタン等級に対応し、それぞれに最適なパラメータとツールパスを選定して、部品の完全性とコスト効率を両立させています。