TC4とTC4 ELIの性能および加工性の違いとは？

製造および工学の観点から見ると、TC4（Ti-6Al-4V、グレード5）とTC4 ELI（Ti-6Al-4V ELI、グレード23）の違いは、組成上はわずかですが、機械的性能――特に重要用途において――には大きな影響を及ぼします。両者の根本的な違いは、酸素や鉄といった侵入型元素（インタースティシャル元素）の厳格な管理にあり、これが靭性、延性、加工性に直接影響を与えます。

侵入型元素の管理と機械的特性

「ELI」とは「Extra Low Interstitial（超低侵入元素）」を意味します。両合金はともに6%のアルミニウムと4%のバナジウムを基本組成としますが、TC4 ELIは酸素（標準TC4の最大0.20%に対して0.13%以下）および鉄（標準TC4の最大0.30%に対して0.25%以下）をはるかに厳しく管理した仕様で製造されます。この侵入元素の低減は、機械的特性に直接かつ深い影響を与えます。標準TC4は、一般的に引張強さ約900 MPa、降伏強さ約830 MPaと、高い静的強度を示します。対してTC4 ELIは、最小強度値がやや低く（引張強さ約825 MPa、降伏強さ約760 MPa）、その代わりに延性と破壊靭性が大幅に向上します。この「強度の一部を犠牲にして損傷許容性を高める」というトレードオフは、設計上の重要な判断要素です。

重要環境下での性能

TC4 ELIが選ばれる主な理由は、亀裂進展が懸念される厳しい環境下での優れた性能にあります。高い破壊靭性により、低温で材料が脆化しやすい航空宇宙産業における機体構造やジェットエンジン部品など、極低温下で作動する用途に最適です。さらに、より高純度であることから生体適合性にも優れ、組織反応リスクが低いため、医療機器分野では脊椎ロッド、人工関節、骨プレートなどのインプラント材として世界標準となっています。一方、標準TC4は高い比強度を持ち、極端な靭性を必要としない航空機構造部品やランディングギアなど、多くの高応力用途に最適です。

加工性および製造上の考慮事項

加工の観点から見ると、両者の違いは存在するものの、Ti-6Al-4V系特有の課題の範囲内に収まります。TC4 ELIのやや低い強度は切削力をわずかに低減し、薄肉部などの繊細な形状を加工する際に有利に働く場合があります。しかし、延性の増加により、切削工具への材料の付着や構築刃先（BUE）発生の傾向が高まり、表面仕上げに影響を及ぼす可能性もあります。チタンCNC加工サービスにおける成功の基本戦略――鋭利な工具、高圧クーラント、剛性の高いセットアップ、適切な切削速度と送り――は、どちらのグレードにも等しく適用されます。製造者にとって重要なのは、材料ロットや部品形状に基づいてパラメータを微調整することです。加工後には、精密部品用電解研磨などのプロセスが両者に有効であり、とりわけ医療グレードのELIインプラントでは、移植に必要な無欠陥で汚染のない表面を得るために必須とされています。

工学的選定ガイドライン

TC4とTC4 ELIの選択は、基本的に用途に依存します：

• TC4（グレード5）を選択： 高い静的強度、優れた疲労特性、および一般的な耐食性を重視する航空宇宙、自動車、産業用部品向け。

• TC4 ELI（グレード23）を選択： 破壊靭性、亀裂耐性、延性の向上が最優先される重要用途向け。極低温航空構造、医療用インプラント、高信頼性の海洋・エネルギー用途など。

精密加工サービスに精通したサプライヤーを活用することで、各合金の特性を理解し、それらを製造工程全体で適切に管理し、最終部品の性能要件を確実に満たすことができます。