Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）
Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）の概要
Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）は、優れた冷間成形性と深い焼入れ性（厚肉部まで均一に特性を出しやすい）を両立する準安定β型チタン合金です。高い引張強度、優れた靭性、そして中程度の耐食性を兼ね備えており、航空宇宙、防衛、産業機器の高強度構造用途に適しています。
溶体化処理（Solution Treated）状態では機械加工性が良好であるため、Ti-10V-2Fe-3Alは高精度のCNC加工チタン部品に適しています。特に航空機構造部品や自動車向け構造部材では、厳しい公差管理、良好な表面粗さ、そして高い設計自由度が求められるため、先進的なCNC加工サービスのメリットが活きます。
Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）の化学的・物理的・機械的特性
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
チタン（Ti） | 残部 | 耐食性と構造の母材元素 |
バナジウム（V） | 9.0–11.0 | β安定化元素、強度と延性を向上 |
鉄（Fe） | 1.7–2.3 | 焼入れ性と引張特性を向上 |
アルミニウム（Al） | 2.5–3.5 | 強度と組織安定性を向上 |
酸素（O） | ≤0.15 | 固溶強化（延性とトレードオフ） |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化防止のため低く管理 |
窒素（N） | ≤0.03 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.05 | 残留元素 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.64 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1580–1620°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 100°Cで7.2 W/m·K | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 20°Cで1.68 µΩ·m | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.7 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 20°Cで560 J/kg·K | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 114 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（溶体化処理＋時効）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 1030–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–370 HB | ASTM E10 |
クリープ耐性 | 中～良好 | ASTM E139 |
疲労耐性 | 高 | ASTM E466 |
Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）の主な特長
高い引張強さ・耐力：熱処理後は耐力が>1000 MPaに達し、一部の鋼材に匹敵する強度を示しながら、密度は約45%低く軽量化に貢献します。
良好な冷間成形性：多くの高強度チタン合金と異なり、溶体化処理状態で適度な延性を保持し、曲げや成形加工に適します。
深い焼入れ性（Deep Hardenability）：厚肉断面でも均一な機械特性を得やすく、鍛造品や荷重支持部品に適しています。
後処理前提で溶接可能：溶体化処理状態で溶接が可能で、適切な溶加材と時効処理により強度を回復できます。
Grade 19チタンのCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
中程度の加工硬化：α＋β系よりは容易ですが、切りくず制御が不十分だと加工硬化が進み、刃先負荷が増えます。
発熱と工具摩耗：熱伝導率が低いため、十分なクーラント圧と鋭利な刃先がないと、焼けや工具破損のリスクが上がります。
スプリングバック／弾性回復：縦弾性係数114 GPaにより、薄肉や精密部ではわずかな戻りが寸法に影響します。
表面かじり（Galling）：高強度β相の影響で、乾式や潤滑不足ではスメア・かじりが起きやすくなります。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨内容 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 微粒子超硬またはCBN | 高強度と耐摩耗性を確保 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiN（≥3 µm、PVD） | かじり抑制と工具寿命向上 |
刃形 | 鋭利な正すくい角、ホーニング刃先 | 加工硬化と切削抵抗を低減 |
切削速度 | 25–55 m/min | 工具温度上昇と変形を抑制 |
送り速度 | 0.10–0.25 mm/rev | 良好な切りくず排出と安定切削 |
クーラント | 内部給油エマルジョン ≥100 bar | 冷却と切りくずフラッシングを強化 |
Ti-10V-2Fe-3Al（Grade 19）切削条件（ISO 3685準拠）
加工内容 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧力（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100（内部給油） |
仕上げ加工 | 45–60 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Grade 19チタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は、航空宇宙グレード鍛造品やランディングギア部品の疲労寿命向上と内部緻密化に有効です。
熱処理は、750～800°Cでの溶体化処理と、500～550°Cでの時効により、強度と延性のバランスを最適化します。
スーパーアロイ溶接は溶体化処理状態で実施可能で、溶接後に時効処理を行うことで機械特性の回復が可能です。
遮熱コーティング（TBC）は、繰返し熱負荷を受ける部品の酸化保護として適用されます。
CNC加工は、フライトクリティカル部品やサスペンション部材などで±0.01 mm級の高精度加工を支援します。
放電加工（EDM）は、硬化材の複雑形状、冷却穴、微細形状に有効です。
深穴加工は、L/D >30:1、真直度<0.3 mm/m、Ra ≤1.6 µmの要求に対応します。
材料試験では、相組成、硬さの均一性、構造健全性を、引張・クリープ・超音波NDTなどで検証します。
材料試験および分析
Ti-10V-2Fe-3Alの評価には、高温引張強度の確認、時効応答の特性化、破壊靭性評価、そして航空宇宙・軍用規格に準拠した超音波探傷などの非破壊検査が含まれます。
